JP4217800B2 - 船舶の電力制御装置及び船舶 - Google Patents

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Description

この発明は、モータボートやポンツーンボート、ハウスボート等の比較的小型の船舶の電力制御装置及び船舶に関し、さらに詳しくは複数の燃料電池により負荷装置に電力を供給する電力制御装置及び船舶に関する。
従来、燃料電池は、電源装置として自動車、家庭用機器、モバイル機器等への適用が知られており、さらに雑誌等でも多く紹介されている。しかし、これらは特定のメーカが生産した特定のユニット範囲内で燃料電池と駆動部とを一体でシステム化しているのが一般的である（例えば、特許文献１及び２）。
特開２０００−２１７２７５号（第１頁〜第７頁、図１〜図４） 特表２００１−５０１０１８号（第１頁〜第３５頁、図１〜図４）
ところで、比較的小型の船舶では船体と船外機や補機類がそれぞれ別メーカのものが組み合わされ構成・使用されているのが一般的である。このような比較的小型の船舶では、燃料電池を電源として使用する場合、補機や電気機器を追加増設したり、船外機を２機掛けする時に電源容量不足が生じる可能性があり、拡張性や多様性に対して障害になる。
この発明は、前記問題を解消させ、拡張性や多様性を向上した、燃料電池を電源とするシステムを搭載した船舶の電力制御装置及び船舶を提供することを目的とする。
前記課題を解決し、かつ目的を達成するために、この発明は、以下のように構成した。
請求項１に記載の発明は、複数の燃料電池と、
前記複数の燃料電池の供給電力により駆動する負荷装置と、
前記負荷装置が要求する負荷電力に応じて前記燃料電池を運転する制御装置を備え、
前記制御装置は、
前記複数の燃料電池のそれぞれの効率特性を認識する効率特性認識手段と、
前記負荷装置が要求する電力を認識する要求電力認識手段と、
前記認識した要求電力に応じて効率特性が最大効率負荷点に近付くように前記燃料電池の運転制御を行なう燃料電池運転制御手段とを有し、
前記要求電力認識手段は、接続されている前記負荷装置の負荷を検出し、その負荷量に基づいて前記負荷装置が要求する電力を認識することを特徴とする船舶の電力制御装置である。
請求項２に記載の発明は、複数の燃料電池と、
前記複数の燃料電池の供給電力により駆動する負荷装置と、
前記負荷装置が要求する負荷電力に応じて前記燃料電池を運転する制御装置を備え、
前記制御装置は、
前記複数の燃料電池のそれぞれの効率特性を認識する効率特性認識手段と、
前記負荷装置が要求する電力を認識する要求電力認識手段と、
前記認識した要求電力に応じて効率特性が最大効率負荷点に近付くように前記燃料電池の運転制御を行なう燃料電池運転制御手段とを有し、
前記要求電力認識手段は、接続されている負荷装置に記憶されている情報データを受信し、その情報データに基づいて前記負荷装置が要求する電力を認識することを特徴とする船舶の電力制御装置である。
請求項３に記載の発明は、前記負荷装置が船舶用電動推進装置であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の船舶の電力制御装置である。
請求項４に記載の発明は、前記燃料電池の最大供給電力を超える要求負荷の前記負荷装置が接続された場合、警告する警告装置を備えることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の船舶の電力制御装置である。
請求項５に記載の発明は、前記燃料電池運転制御手段は、警告してから予め決められた前記負荷装置を自動的に停止することを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の船舶の電力制御装置である。
請求項６に記載の発明は、前記負荷装置の要求する負荷電力状況と前記燃料電池の電力供給状態を表示する表示装置を備えることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の船舶の電力制御装置である。
請求項７に記載の発明は、請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載の船舶の電力制御装置を備えることを特徴とする船舶である。
前記構成により、この発明は、以下のような効果を有する。
請求項１に記載の発明によれば、認識した要求電力に応じて効率特性が最大効率負荷点に近付くように燃料電池の運転制御を行なうことで、複数の燃料電池を効率的に運転することができる。また、接続されている負荷装置の負荷を検出し、その負荷量に基づいて負荷装置が要求する電力を認識することで、負荷装置の増設が可能になり、電力制御装置システムの拡張性や多様性が向上する。
請求項２に記載の発明によれば、認識した要求電力に応じて効率特性が最大効率負荷点に近付くように燃料電池の運転制御を行なうことで、複数の燃料電池を効率的に運転することができる。また、接続されている負荷装置に記憶されている情報データを受信し、その情報データに基づいて負荷装置が要求する電力を認識することで、負荷装置の増設が可能になり、電力制御装置システムの拡張性や多様性が向上する。
請求項３に記載の発明によれば、船舶用電動推進装置に応じて複数の燃料電池を効率的に運転することができる。
請求項４に記載の発明によれば、燃料電池の最大供給電力を超える要求負荷の場合、警告することで、装置の保護となり、また燃料電池の耐久性が向上する。
請求項５に記載の発明によれば、燃料電池の最大供給電力を超える場合には、警告してから予め決められた負荷装置を自動的に停止することで、船舶用電動推進装置は出力を落とさないように、あるいは停止しないように運転制御する。
請求項６に記載の発明によれば、負荷装置の要求する負荷電力状況と燃料電池の電力供給状態を表示することで、運転者が確認できる。また、表示画面を見ながら自動制御を解除して手動での制御等ができる。
請求項７に記載の発明によれば、拡張性や多様性を向上した、燃料電池を電源とするシステムを搭載した船舶である。
以下、この発明の船舶の電力制御装置及び船舶の実施の形態について説明する。この発明の実施の形態は、発明の最も好ましい形態を示すものであり、この発明はこれに限定されない。
図１は電力制御装置を備える船舶の側面図である。この実施の形態の船舶１には電力制御装置Ａが備えられ、この電力制御装置Ａは、複数の燃料電池３と、複数の燃料電池３の供給電力により駆動する負荷装置４と、負荷装置４が要求する負荷電力に応じて燃料電池３を運転する制御装置５とを有する。
この電力制御装置Ａの構成を、図２に基づいて説明する。図２は電力制御装置の概略構成図である。複数の燃料電池３に応じて燃料供給部３ａが設けられている。この燃料供給部３ａを制御装置５により制御することで、水素と空気とを混合した燃料が燃料電池３に供給され、燃料電池３で供給電力を得る。燃料電池３はモジュール化されており、増設が容易である。燃料供給部３ａには、レギュレータ、圧力計等が設けられ、燃料を所定の圧力で燃料電池３に供給できるようになっている。
制御装置５には、集中コントロール操作部５ａ、外部制御信号処理ユニット５ｂ、ソケット電源ブレーカ５ｃ、充電器５ｄ、二次予備バッテリ５ｅが接続され、さらに負荷装置４が接続されている。
集中コントロール操作部５ａは、操作ボタンやキーボード等で構成され、集中の監視と手動制御操作を行なうことができる。この集中コントロール操作部５ａの操作により、集中監視モニタ６の画面に例えば電源残量、電源発生出力、稼動負荷状況、ソケットＯＮ／ＯＦＦ状況、日月の累積使用量、メンテ時期お知らせ等の表示を行なう。この集中監視モニタ６が負荷装置４の要求する負荷電力状況と燃料電池３の電力供給状態を表示する表示装置を構成する。
外部制御信号処理ユニット５ｂは、沿岸、湾内航行無線信号、またはＧＰＳ無線信号を受信して安全航行、自動航行を行なう。
また、例えば親ボートと、この親ボートに接続して電力の供給を受ける子ボートを用いるレジャーボートの場合には、親ボートに電力制御装置Ａを備える。そして、この親ボートに備える充電器５ｄによって子ボート７に搭載されるバッテリに随時充電可能である。
また、負荷装置４としては、船舶用電動推進装置４ａ、電動補機４ｂ、艇機器類４ｃ、電気製品４ｄ及び陸（桟橋、浜辺等）の機器４ｅ等がある。
複数の船舶用電動推進装置４ａが直流インバータ５ｆによって制御装置５に接続される。船舶用電動推進装置４ａは交換可能であり、また後に追加して接続可能である。直流インバータ５ｆは、船舶用電動推進装置４ａの容量や個数に応じて交換可能である。この直流インバータ５ｆには、インストール・ソフトとＵＳＢケーブル端子５ｆ１が設けられ、機器のグレードアップが容易である。
複数の電動補機４ｂが直流インバータ５ｇによって制御装置５に接続される。この電動補機４ｂとしては、スラスター、オートスパンカー等がある。
艇機器類４ｃは、直流インバータ５ｉによって制御装置５に接続される。この艇機器類４ｃとしては、魚群探知機等がある。
電気製品４ｄは、交流コンバータ５ｊによって制御装置５に接続される。この電気製品４ｄとしては、テレビジョン、冷蔵庫、電磁調理器、照明、水洗用高圧ポンプ、船上トイレポンプ、汎用コンセント等があり、家のような居住感覚とすることができる。
また、例えば、この発明の電力制御装置Ａを仮設移動台船に備える場合、陸（桟橋、浜辺等）の機器４ｅが交流コンバータ５ｊによって制御装置５に接続され、仮設移動台船からの陸側へ電力の供給を行なうことができる。
また、制御装置５には、複数の燃料電池３や負荷装置４が接続される。複数の燃料電池３のモジュールの種類や燃料電池３のモジュールを供給するメーカも色々あることから、予めそれら、例えば燃料電池３のモジュール、船舶用電動推進装置４ａや電動補機４ｂ、艇機器類４ｃ、電気製品４ｄ等に識別記号を付け、接続した時には制御装置５がこれらの識別記号を含む信号を読み取る。これらの識別記号を含む信号は予め制御装置５に登録しておいて、さらに、機器の性能や特性なども予め入力登録しておく。読み取った信号は、制御装置５内で照合され合致した時に自動制御ができる仕組みにする。これで、制御が可能になるとともに、識別記号を持たないような保証外の機器を接続してシステムに障害が発生するといった問題を排除できる。
複数の燃料電池３や負荷装置４を制御装置５に接続する形態は、電力を供給する電力系ケーブルと、それとは別に識別記号を含む信号の読取や燃料電池３を制御する信号を伝送するための制御系ケーブルも接続する。この制御系ケーブルの接続部はパソコンのＵＳＢ形態にする。制御装置５にはＷｉｎｄｏｗｓ（登録商標）類のソフトが入っていて、制御系ケーブルを接続した時に「新たなハードウエアを検出しました」という表示をして、その後にセットアップウィザードが起動して、簡単な操作でセットアップが完了する。これはパソコンのプリンタや周辺機器の増設時のセットアップシステムに類似させる。
制御装置５は、セットアップや操作がパソコン感覚に近く、使用者やディーラはあまり専門性がなくても容易にセットアップができる。また、識別信号を基に、関連機器を管理できて、燃料電池を電源とする電力供給システムを容易に構築できる。
負荷装置４としての関連機器には、充電器５ｄも含まれる。例えば、親ボートに電力制御装置があり、子ボートにバッテリと充電器５ｄと電動補機があって充電接続する時は、充電器５ｄを機器識別登録し性能特性も予め入力登録しておくと、燃料電池３のモジュール制御要素に組み込まれる。
また、制御装置５には、予備と電源容量ダンパーとしての目的を有する二次予備バッテリ５ｅを接続できる。制御装置５は、燃料電池３のモジュールの発電と負荷装置４の消費と、二次予備バッテリ５ｅの一時貯蔵の間で電力の受給バランス機能を有する。
制御装置５は、ＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭ等で構成される。この制御装置５は、複数の燃料電池３のそれぞれの効率特性を認識する効率特性認識手段５１と、負荷装置が要求する電力を認識する要求電力認識手段５２と、認識した要求電力に応じて効率特性が最大効率負荷点に近付くように燃料電池３の運転制御を行なう燃料電池運転制御手段５３とを有する。
燃料電池３は、図３に示すような効率特性を有し、この効率特性を予め記憶しておき、効率特性認識手段５１は、予め記憶された燃料電池３の効率特性を認識する。燃料電池運転制御手段５３は、要求電力認識手段５２により認識した要求電力に応じて効率特性が最大効率負荷点Ｐ１に近付くように燃料電池３の運転制御を行なう。
この実施の形態では、要求電力認識手段５２は、接続されている負荷装置４が駆動された場合、この負荷量を検出して自動的に要求する電力を認識するが、接続されている負荷装置４に記憶されている型式データや負荷容量データ等の情報データを受信し、その情報データに基づいて自動的に要求する電力を認識するようにしてもよく、使用者の使用状況に合わせた負荷装置４の増設が可能になる。
燃料電池３は、図３の効率特性における最大効率負荷点Ｐ１から明らかなように最大エネルギー変換能率点が中低負荷にある特徴を有し、認識した要求電力に応じて効率特性が最大効率負荷点Ｐ１に近付くように燃料電池３の運転制御を行なうことで、負荷装置４の個数や種類にかかわらず、複数の燃料電池３を効率的に運転することができる。
例えば、燃料電池３のユニットをモジュール（水素燃料貯蔵３ｂと配管系３ｃ以外は燃料電池関係付属品が一体）とする。そして、複数の燃料電池３のモジュールと船舶用電動推進装置４ａ、電動補機４ｂ、艇機器類４ｃ、電気製品４ｄ等を船舶１に搭載した場面で、それぞれの燃料電池３のエネルギー変換能率の最大効率負荷点Ｐ１に近付くように複数の燃料電池３の運転状態を自動制御する。
例えば、船外機を３機備える船舶１に、３台の燃料電池３のモジュールを備え、３機の船外機の船舶用電動推進装置４ａを運転する場合、３つの燃料電池３を最大効率負荷点Ｐ１に近い場所で運転する。
また、例えば、船外機を２機備える船舶１に、３台の燃料電池３のモジュールを備え、２機の船外機の船舶用電動推進装置４ａと、さらに電動補機４ｂ、艇機器類４ｃ、電気製品４ｄ等を備える場合、これらの最大負荷運転時には、３台の燃料電池３のモジュールを最大出力で運転する。
また、例えば、船外機を３機備える船舶１に、３台の燃料電池３のモジュールを備え、３機の船外機の船舶用電動推進装置４ａを運転する場合において、船舶用電動推進装置４ａを高負荷から中低負荷にしたとき、これに応じて３台の燃料電池３のモジュールの総合効率が最大に近づく計算をして燃料電池３のモジュールに制御信号を送りながら燃料電池３の負荷調整を自動的に行なう。
制御装置５は、前記した船舶用電動推進装置４ａ等の負荷検知、負荷調整のための計算、最適稼動信号の出力の機能を持ち、燃料電池３を最適状態で運転する。
このように、複数の燃料電池３のモジュールを搭載した場合に、燃料電池３のエネルギー変換効率を常に最大に自動制御し、燃費を最小にすることができる。また、使用者の使用状況に合わせた細かい対応が取れ、また燃料電池３や負荷装置４の増設が容易になる。
また、この実施の形態は、接続されている燃料電池３の効率特性を自動的に認識することで、燃料電池３を追加接続した場合でも、自動的に電力制御装置Ａのシステムに組み込まれるのでシステムの拡張性や多様性が向上する。
また、電力制御装置Ａは、燃料電池３の最大供給電力を超える要求負荷の負荷装置４が接続された場合、警告する警告装置Ｂを備える。この警告装置Ｂは、例えば集中監視モニタ６により構成され、警告表示を点灯または点滅させる。また、警告装置Ｂは、ブザー等で構成してもよい。燃料電池３の最大供給電力を超える要求負荷の場合、警告することで、使用者が負荷装置４の一部を停止することができ、装置の保護となり、また燃料電池３の耐久性が向上する。
また、燃料電池運転制御手段５３では、燃料電池の最大供給電力を超える場合、警告してから予め決められた負荷装置４を自動的に停止することで、船舶用電動推進装置４ａは出力を落とさないように、あるいは停止しないように運転制御することができる。
また、制御装置５は、ＧＰＳ無線信号や沿岸／湾内の公共航行安全信号を受信することができ、制御装置５内に組み込まれた海図等の情報との照合、さらに船舶用電動推進装置４ａの操舵制御のための信号伝送の機能を追加できる。
また、制御装置５は、燃料電池３の運転状況や最大効率点での運転を示すグラフや残燃料・残電気量や月累積値を計算して示す運転マネージメント機能を含む。
また、制御装置５には、非常時や災害救助時に機器を識別する識別信号が登録されていない非常用機器を接続し、この非常用機器が接続された場合には、優先して運転できるように非常用サービス系統を有するようにすることもできる。
この発明は、複数の燃料電池と、複数の燃料電池の供給電力により駆動する負荷装置と、負荷装置が要求する負荷電力に応じて燃料電池を運転する制御装置を備え、制御装置は認識した要求電力に応じて効率特性が最大効率負荷点に近付けるように燃料電池の運転制御を行い、負荷装置の個数や種類にかかわらず、複数の燃料電池を効率的に運転することができる。
電力制御装置を備える船舶の側面図である。 電力制御装置の概略構成図である。 燃料電池の効率特性を示す図である。
符号の説明
１ 船舶
３ 複数の燃料電池
４ 負荷装置
４ａ 船舶用電動推進装置
４ｂ 電動補機
４ｃ 艇機器類
４ｄ 電気製品
４ｅ 陸（桟橋、浜辺等）の機器
５ 制御装置
５ａ 集中コントロール操作部
５ｂ 外部制御信号処理ユニット
５ｃ ソケット電源ブレーカ
５ｄ 充電器
５ｅ 二次予備バッテリ
６ 集中監視モニタ
Ａ 電力制御装置

Claims (7)

  1. 複数の燃料電池と、
    前記複数の燃料電池の供給電力により駆動する負荷装置と、
    前記負荷装置が要求する負荷電力に応じて前記燃料電池を運転する制御装置を備え、
    前記制御装置は、
    前記複数の燃料電池のそれぞれの効率特性を認識する効率特性認識手段と、
    前記負荷装置が要求する電力を認識する要求電力認識手段と、
    前記認識した要求電力に応じて効率特性が最大効率負荷点に近付くように前記燃料電池の運転制御を行なう燃料電池運転制御手段とを有し、
    前記要求電力認識手段は、接続されている前記負荷装置の負荷を検出し、その負荷量に基づいて前記負荷装置が要求する電力を認識することを特徴とする船舶の電力制御装置。
  2. 複数の燃料電池と、
    前記複数の燃料電池の供給電力により駆動する負荷装置と、
    前記負荷装置が要求する負荷電力に応じて前記燃料電池を運転する制御装置を備え、
    前記制御装置は、
    前記複数の燃料電池のそれぞれの効率特性を認識する効率特性認識手段と、
    前記負荷装置が要求する電力を認識する要求電力認識手段と、
    前記認識した要求電力に応じて効率特性が最大効率負荷点に近付くように前記燃料電池の運転制御を行なう燃料電池運転制御手段とを有し、
    前記要求電力認識手段は、接続されている負荷装置に記憶されている情報データを受信し、その情報データに基づいて前記負荷装置が要求する電力を認識することを特徴とする船舶の電力制御装置。
  3. 前記負荷装置が船舶用電動推進装置であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の船舶の電力制御装置。
  4. 前記燃料電池の最大供給電力を超える要求負荷の前記負荷装置が接続された場合、警告する警告装置を備えることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の船舶の電力制御装置。
  5. 前記燃料電池運転制御手段は、警告してから予め決められた前記負荷装置を自動的に停止することを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の船舶の電力制御装置。
  6. 前記負荷装置の要求する負荷電力状況と前記燃料電池の電力供給状態を表示する表示装置を備えることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の船舶の電力制御装置。
  7. 請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載の船舶の電力制御装置を備えることを特徴とする船舶。
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