JP5313062B2 - 電源システム - Google Patents

Description

本発明は、バックアップ電源等に用いられ、燃料電池と蓄電池とを併用して構成した電源システムに関する。

燃料電池の一種である固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）は、水素を主成分とする燃料ガスと酸化剤ガスを電気化学的に反応させて起電力を得る電池である。ＰＥＦＣは、発電電力および排熱を利用するコージェネシステムのほか、停電など系統電力の異常時に、特に通信インフラやデータサーバなどの基幹産業機器へバックアップ給電を行う電源システムへの利用が検討されている。また、他のバックアップ電源としては鉛蓄電池を用いた電源システムが利用されている。さらに、鉛蓄電池と燃料電池を並列接続して併用することも考えられる。

特開２００４−１１２８７１号公報

燃料電池は燃料を消費して電力を得るため、経済的な動作を行うためには燃料の節約が重要となる。蓄電池と燃料電池を並列接続して併用した電源システムでは、燃料電池システム、蓄電池、負荷の電力バランスにより蓄電池に出入りする電力が変動する。蓄電池は充放電の際に損失が発生するため、燃料電池の発電電力を蓄電池に充電させない動作を行うことで燃料の節約が可能となる。蓄電池に充放電制御用の変換器を付設することで蓄電池の充電を回避する方法があるが、変換器により損失が発生する課題がある。また、蓄電池はその充電率や放電深度を適切に管理しない場合、寿命に影響が出ることが知られている。

本発明の目的は、上記課題を解決すべく、燃料電池と蓄電池を併用するバックアップ電源システムにおいて、蓄電池に充放電制御用の変換器を付設せず、燃料電池装置の動作により蓄電池の状態を管理することで、燃料を節約し、蓄電池の状態を好適に維持することができる電源システムを提供することにある。

上記目的を達成すべく本発明に係る電源システムは、蓄電装置と燃料電池装置とをそれぞれ負荷に並列接続し、該負荷に電力を供給する電源システムであって、前記蓄電装置は、1個または複数個の二次電池を直列または並列接続した二次電池群を備え、前記燃料電池装置は、複数の燃料電池セルを積層した燃料電池スタックと、該燃料電池スタックの発電電力を変換し前記燃料電池装置の出力に供給するＤＣ／ＤＣコンバータと、前記燃料電池装置の出力電圧を検出する電圧検出手段と、前記燃料電池装置の出力電流を検出する電流検出手段と、前記電圧検出手段が検出した出力電圧値と前記電流検出手段が検出した出力電流値とから前記蓄電装置の充放電状態を判定し、その判定結果に基づいて前記ＤＣ／ＤＣコンバータの出力電圧を制御する蓄電装置状態判定手段とを備えたことを特徴とする。

本発明によれば、燃料電池と蓄電池を併用する電源システムにおいて、蓄電池に充放電制御用の変換器を付設することなく、燃料を節約し、蓄電池の状態を好適に維持することができる。

本発明に係る電源システムの第１の実施形態を示す概略構成図である。 図１の電源システムの動作タイムチャートである。 図１の蓄電装置の充放電判定を説明するための出力電圧−出力電流の分布特性を示すグラフである。 図３の分布特性を説明するための出力回路の計算モデルを示す回路図である。 蓄電装置充放電判定の負荷変動判定を示す図であり、（ａ）は出力電圧−出力電流特性の偏差が小さい場合、（ｂ）は出力電圧−出力電流特性の偏差が大きい場合の例を示す図である。 本発明に係る電源システムの第２の実施形態において、蓄電装置の充電率の判定例を示すグラフである。

以下、本発明の好適な実施形態を添付図面に基づいて説明する。
（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態の電源システムの構成を示す概略図である。図１に示すように、電源システムは、燃料電池装置を構成する燃料電池モジュール１と、蓄電装置４とを備え、燃料電池モジュール１と蓄電装置４とを負荷７に並列接続し、負荷７に電力を供給するシステムである。本実施形態では、燃料電池モジュール１と蓄電装置４は、系統電源６から供給される交流電力を変換して直流電力を得る整流器５と共に負荷７に接続され、系統電源６の停止時等のバックアップ電源として機能する。

燃料電池モジュール１は、内部に燃料電池スタック８とＤＣ／ＤＣコンバータ９と補器１０とを備える。燃料電池モジュール１の燃料電池スタック８には、水素ボンベ２より水素配管３を通じて水素燃料が供給される。水素配管３より供給された水素燃料と燃料電池モジュール１周辺の空気の一部は、補器１０の動作により燃料電池スタック８を通流し、燃料電池スタック８の起電力として消費される。

燃料電池スタック８は、複数の燃料電池セルを直列接続するように積層した構造を有し、最端部の燃料電池セルの正負端子がＤＣ／ＤＣコンバータ９の入力に接続される。ＤＣ／ＤＣコンバータ９は、入力より得られた燃料電池スタック８の起電力を、所定の電圧指令ＶＯ_refに制御された電圧の直流電力に変換する。なおＤＣ／ＤＣコンバータ９の出力には逆流防止用のダイオードを設けてもよい。

ＤＣ／ＤＣコンバータ９の出力は、燃料電池モジュール１の外部に出力として取り出され、負荷７、整流器５の直流出力、および蓄電装置４にそれぞれ並列に接続されている。ここで負荷７には直流電力を消費する機器、例えば放送・通信用基地局、データサーバなどを設けてもよい。ＤＣ／ＤＣコンバータ９の出力に接続される直流電力伝送回路は、ＤＣ２４Ｖ又はＤＣ４８Ｖなどを基準の電圧として運用してもよい。整流器５は、系統電源６より受電する商用のＡＣ１００ＶまたはＡＣ２００Ｖ級の交流電力を入力とし、直流電力の出力に変換する機能があり、停電など系統電源６の異常時には出力を停止する。燃料電池モジュール１、および蓄電装置４は、主に系統電源６が異常となり整流器５の出力が停止した場合に負荷７への電力供給を継続するためのバックアップ動作を行う。

燃料電池モジュール１は、さらに、ＤＣ／ＤＣコンバータ９の出力電圧ＶＯを検出する電圧検出手段１１と、ＤＣ／ＤＣコンバータの出力電流ＩＯを検出する電流検出手段１２と、出力電圧ＶＯ及び出力電流ＩＯに基づき蓄電装置４の充放電状態の判定を行う蓄電装置状態判定手段１３とを備える。蓄電装置状態判定手段１３は、ＤＣ／ＤＣコンバータ９の出力電圧ＶＯを制御する電圧指令ＶＯ_refを算出し、ＤＣ／ＤＣコンバータ９に送信する。電流検出手段１２は、ホール素子またはシャント抵抗を用いた電流センサを用いて構成されてもよい。また、蓄電装置状態判定手段１３は電気回路、電気回路上のマイコン又はＤＳＰなどに搭載される制御プログラムなどの手段で燃料電池モジュール１に実装されることが望ましい。

図２は、燃料電池モジュール１の動作に関するタイムチャートの一例を示している。図２に示すように、燃料電池モジュール１の動作は、大きくモードＡとモードＢの２つのモードに分類されている。本実施形態では、燃料電池モジュール１は、モードＡとモードＢとを交互に繰り返し、モードＡとモードＢの継続時間がそれぞれ設定されている。

モードＡでは、燃料電池モジュール１は電圧指令ＶＯ_refを変動させながら、変動に応答する出力電圧ＶＯ、出力電流ＩＯをそれぞれ蓄電装置状態判定手段１３に記憶する。図２では、５段階の電圧変動を与えている。ＤＣ／ＤＣコンバータ９は出力電圧ＶＯをＶＯ_refに一致するように制御を行うため、出力電圧ＶＯは電圧指令ＶＯ_refに概ね一致する。

本実施形態のように蓄電装置４が充放電制御用の変換器を付設しない二次電池である場合、出力電流ＩＯは所定の跳ね上がり形状の過渡変化を示す。これは二次電池の分極電圧によるものであり、蓄電装置状態判定手段１３が記憶するデータはこの過渡変化が収束した時点が望ましい。従って、電圧指令ＶＯ_refに所定の変動を与えた後、所定の遅れ時間Ｔｄを経過した後の出力電圧ＶＯ、出力電流ＩＯのデータを蓄電装置状態判定に用いる。蓄電装置４が鉛蓄電池で構成される場合、遅れ時間Ｔｄは１分から５分程度が望ましい。モードＡにおける出力電圧ＶＯ及び出力電流ＩＯの計測については、アナログフィルタ、もしくは一次遅れや移動平均などのデジタルフィルタ処理により計測ノイズを除去する操作を行ってもよく、フィルタには上述の過渡変化の収束時間を考慮した時定数を選定してもよい。

モードＡの終了時点では、蓄電装置状態判定手段１３は記憶された出力電圧ＶＯ及び出力電流ＩＯのデータを用いて蓄電装置４の状態を判定し、判定の結果に従い最適な出力電圧ＶＢを求め、電圧指令ＶＯ_refをＶＢ相当の値に変更し、モードＢへ移行する。次に、モードＢでは、電圧指令ＶＯ_refをＶＢ相当の値に固定した動作を行い、モードＢの継続期間終了後はモードＡの動作を再開する。

蓄電装置状態判定手段１３は、出力電流ＩＯに対する出力電圧ＶＯの分布に基づき、蓄電装置が放電状態、充電状態、放電と充電の境界状態となる出力電圧の範囲を判定する。以下、充放電状態の判定方法について説明する。

図３は、蓄電装置状態判定手段１３における、蓄電装置の充放電判定に用いられる出力電圧−出力電流の分布特性の一例を示すグラフである。モードＡにおいて、例えば、５段階の電圧指令ＶＯ_refの変動を与えた場合、出力電圧ＶＯ−出力電流ＩＯの分布は、図３に示すように、５つ得られる。なお、図３では５段階の電圧指令ＶＯ_refに関する分布をそれぞれ５つの点で表示したが、電圧指令ＶＯ_refの条件毎に複数回の記録を行った場合は、偏差を含む複数個の点の集合が５つ表示されることになる。このような場合は、各集合について、分布の重心、平均値、最大値、最小値、中央値などを求め、各集合の代表点として取り扱っても構わない。

モードＡの間において負荷７の消費電力ＰＬが大きく変動していない場合、図３に示すように、出力電圧ＶＯ、出力電流ＩＯの分布は、傾きの異なる２種類の直線状となる。ここで、２直線の交点における出力電圧ＶＯを電圧ＶＢと判定する。

図４は、出力電圧ＶＯ−出力電流ＩＯの分布が２種類の直線状となる分布特性を説明するための計算モデルである。図４の計算モデルでは、蓄電装置４を電圧源Ｖ２と内部抵抗ｒ_ｂとで模擬し、負荷７の消費電流をＩＬ、燃料電池モジュール１と蓄電装置４との間の配線抵抗をＲとしている。この計算モデルについて、出力電圧ＶＯ−出力電流ＩＯの関係は以下の式１で表すことができる。一般の電源システムでは損失低減のため配線抵抗Ｒを十分小さい値に設計するため、式１において負荷７の消費電流ＩＬと電圧源Ｖ２が概ね一定であれば、出力電圧ＶＯ−出力電流ＩＯの関係は概ね直線状の分布となり、その傾きは蓄電装置４の内部抵抗ｒ_ｂによって定まる。

一般に蓄電装置４に用いられる二次電池の内部抵抗ｒ_ｂは、充電時においては放電時よりも大きい値を示す。特に、充電率が８０％程度以上の高い状態での充電時は内部抵抗ｒ_ｂが大きく上昇する。従って、出力電圧ＶＯと出力電流ＩＯの関係は、内部抵抗ｒ_ｂの変化により、放電状態および充電状態とで傾きの異なる２種類の直線状の分布特性となり、２直線の交点電圧ＶＢよりも低い出力電圧ＶＯの範囲では放電状態、電圧ＶＢよりも高い出力電圧ＶＯの範囲では充電状態と判定できる。

ここで、燃料電池モジュール１と蓄電装置４を併用したシステム全体のバックアップ動作について検討する。燃料電池モジュール１は水素ボンベ２から供給される水素を用いて発電を行うため、消費した水素ボンベ２を交換する手間を省くには水素消費を節約する必要がある。一方、蓄電装置４は、充放電の際に発生する損失が発生するほか、水素を用いずとも系統電源６より充電できることから、燃料電池モジュール１の発電電力で蓄電装置４を充電する動作を避けることで消費する水素の節約ができる。従って、本電源システムは、蓄電装置状態判定手段１３において蓄電装置４の充放電状態を判定し、動作モードＢにおいて電圧指令ＶＯ_refを電圧ＶＢ以下に保つことで、燃料電池モジュール１の発電電力で蓄電装置４を充電する動作を避けることができ、水素ボンベ２の消費水素節約に貢献できる。

また、モードＡにおいて記憶する出力電圧ＶＯ−出力電流ＩＯの分布に偏差が現れると、蓄電装置状態判定手段で演算される判定結果に影響を与えるため、出力電圧ＶＯ及び出力電流ＩＯの記録はできるだけ偏差を生じない条件が望ましい。偏差を生じる条件としては、特に、蓄電装置４の分極電圧や負荷７の電力ＰＬの変動が挙げられる。

蓄電装置４の分極電圧は一般に負荷７の電力ＰＬの変動が無ければ過渡変化として最終的に収束する形で変化するため、モードＡの継続時間を、蓄電装置４を構成する二次電池の分極電圧の平衡時定数よりも長い時間に設定することにより、分極電圧の影響を最低限に抑制できる。

図５（ａ）及び図５（ｂ）は、蓄電装置充放電判定における負荷７の変動判定を示す図である。負荷７の電力ＰＬに変動が生じると、出力電圧ＶＯ−出力電流ＩＯの分布に偏差が生じる。そこで、各分布の出力電流ＩＯについて平均電流Ｉ_ＡＶＥを求め、所定の偏差幅ΔＩを加算した上下限電流閾値Ｉ_ＡＶＥ±ΔＩを逸脱する分布点が存在した場合に、負荷７の変動として判定する。図５（ａ）では、上下限電流閾値Ｉ_ＡＶＥ±ΔＩを超える分布点が存在せず、偏差が小さいとみなされ、負荷７の電力ＰＬの変動がないと判定されるのに対し、図５（ｂ）では、上下限電流閾値Ｉ_ＡＶＥ±ΔＩを超える分布点が存在するため、偏差が大きいとみなされ、負荷７の電力ＰＬに変動があったと判定される。なお、図５では、出力電流ＩＯの偏差を求めて負荷７の変動判定を行っているが、出力電圧ＶＯについて偏差を求めて負荷７の変動と判定してもよい。

ここで、負荷７の変動を判定した場合に蓄電装置充放電判定の結果を補正してもよい。その補正方法としては、例えば、負荷７の変動を判定した場合に、変動を判定した当該モードＡにおける蓄電装置充放電判定を無視し、前回のモードＡ以前に得られた出力電圧ＶＢを基に次回のモードＢの動作を実施すれば、負荷７の変動による影響を回避することができる。また、負荷７の変動を判定した場合や、常時変動し蓄電装置充放電判定が適当に実施できない負荷７が接続されていると判定した場合に、その判定結果を燃料電池モジュール１の外部に表示・通信などの手段を用いて通知する機能を設けてもよい。

本実施形態の電源システムによれば、燃料電池モジュール１の出力電圧ＶＯと出力電流ＩＯとから蓄電装置４の充放電状態（充電状態、放電状態、或いは、充電と放電の境界状態）を判定し、その蓄電装置４の充放電状態に基づいてＤＣ／ＤＣコンバータ９への電圧指令ＶＯ_refを用いて出力電圧ＶＯを制御することにより、水素燃料の消費を抑え、かつ蓄電池の状態を好適に維持することができる。

ただし、モードＡの動作時には、一時的に、最適な出力電圧ＶＢよりも大きい電圧指令ＶＯ_refの動作を含むため、蓄電装置４への充電が行われ水素を多く消費する場合がある。そこで、両モード全体での水素消費を考慮し、モードＢでの水素節約効果がモードＡでの余分な水素消費を相殺すべく、少なくともモードＢの継続時間をモードＡの継続時間よりも長く設定することにより、水素の節約効果を高めることが可能となる。例えば、モードＢの継続期間はモードＡの継続時間の２倍以上に設定されるのが好ましい。
（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。

本実施形態の電源システムの基本的な構成部分は、図１の電源システムとほぼ同様である。本実施形態では、蓄電装置状態判定手段１３が、出力電流値ＩＯに対する出力電力値ＶＯの分布に基づき、蓄電装置４の充電率（ＳＯＣ）を判定する機能を有する。

図６は、蓄電装置状態判定手段１３における、蓄電装置充電率判定に関する一例を示す図である。蓄電装置４を構成する二次電池の２通りの充電率Ｓ１及びＳ２（Ｓ１＞Ｓ２）について、出力電圧ＶＯ−出力電流ＩＯの分布を示している。図６に示すグラフによれば、例えば、出力電圧ＶＯ−出力電流ＩＯの分布は充電率が高くなるにつれて右側にシフトするように、充電率Ｓ１、Ｓ２の違いに応じて出力電圧ＶＯ−出力電流ＩＯの分布はそれぞれ異なる。出力電圧ＶＯ−出力電流ＩＯの分布と充電率との関係を、蓄電装置状態判定手段１３に予め記憶しておくか、もしくは実際の動作の経過より学習することによって、充電率を推定することが可能となる。

二次電池、特に鉛蓄電池は、放電が進み充電率が下がると電池の寿命に影響を与える傾向がある。従って、蓄電装置状態判定手段１３において蓄電装置充電率判定を行い適切な充電率に蓄電装置４を維持することにより、蓄電装置４の寿命を延長することが可能である。具体的には、モードＢの動作時において、蓄電装置４の充電率が予め設定された充電率（第１の充電率閾値）より低い場合には、蓄電装置４の充電率が第１の充電率閾値より高いときの固定電圧（電圧指令ＶＯ_ref（通常時の電圧指令））よりも、固定電圧（電圧指令ＶＯ_ref）を高く設定する。これにより、燃料電池モジュール１の出力を増加させ、蓄電装置４の放電量を緩和することができ、電池の寿命への影響を防止することができる。

蓄電装置４の充電率が十分に高い場合、例えば、充電率が９０％以上であった場合は燃料電池モジュール１が発電しなくとも、蓄電装置４の放電のみで負荷７をバックアップ可能な場合がある。このように、所定の充電率閾値（第２の充電率閾値）よりも充電率が高いと判定した場合は、モードＢにおいて燃料電池モジュール１の発電動作を休止して、水素の消費を節約することができる。

以上、本発明は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、他にも種々のものが想定される。

１…燃料電池モジュール ４…蓄電装置 ５…整流器 ７…負荷 ８…燃料電池スタック ９…ＤＣ／ＤＣコンバータ １１…電圧検出手段 １２…電流検出手段 １３…蓄電装置状態判定手段

Claims (11)

1. 蓄電装置と燃料電池装置とをそれぞれ負荷に並列接続し、該負荷に電力を供給する電源システムであって、
   前記蓄電装置は、1個または複数個の二次電池を直列または並列接続した二次電池群を備え、
   前記燃料電池装置は、複数の燃料電池セルを積層した燃料電池スタックと、該燃料電池スタックの発電電力を変換し前記燃料電池装置の出力に供給するＤＣ／ＤＣコンバータと、前記燃料電池装置の出力電圧を検出する電圧検出手段と、前記燃料電池装置の出力電流を検出する電流検出手段と、前記電圧検出手段が検出した出力電圧値と前記電流検出手段が検出した出力電流値とから前記蓄電装置の充放電状態を判定し、その判定結果に基づいて前記ＤＣ／ＤＣコンバータの出力電圧を制御する蓄電装置状態判定手段とを備えたことを特徴とする電源システム。
2. 請求項１記載の電源システムであって、前記燃料電池装置は、
   前記燃料電池装置の出力電圧を前記ＤＣ／ＤＣコンバータの操作により所定範囲で変動させて出力すると共に、その変動に応答する前記出力電圧値および前記出力電流値の分布を前記蓄電装置状態判定手段に記録する動作モードＡと、
   前記動作モードＡにおいて記録した前記分布から前記蓄電装置の充放電状態を判定し、燃料電池装置の出力電圧を蓄電装置状態に対応した所定の固定電圧を出力する動作モードＢと
   のどちらか一方のモードで動作されることを特徴とする電源システム。
3. 請求項２記載の電源システムであって、前記動作モードＡの継続時間を、前記二次電池の分極電圧の平衡時定数よりも長い時間に設定したことを特徴とする電源システム。
4. 請求項２又は３記載の電源システムであって、前記動作モードＡ及び前記動作モードＢを交互に繰り返す動作を行い、前記動作モードＢの継続時間を、前記動作モードＡの継続時間より長い時間に設定したことを特徴とする電源システム。
5. 請求項２乃至４のいずれか１項記載の電源システムであって、前記蓄電装置状態判定手段は、前記動作モードＡにおける所定の出力電圧値に対する出力電流値の偏差或いは出力電流値に対する出力電圧値の偏差に基づき、前記負荷の変動を判定することを特徴とする電源システム。
6. 請求項５記載の電源システムであって、前記蓄電装置状態判定手段は、前記負荷の変動の判定結果に基づき、前記蓄電装置の充放電状態判定を補正することを特徴とする電源システム。
7. 請求項１乃至６のいずれか１項記載の電源システムであって、前記蓄電装置状態判定手段は、前記出力電流値に対する前記出力電圧値の分布に基づき、前記蓄電装置が放電状態、充電状態又は放電と充電の境界状態となる出力電圧の範囲を判定することを特徴とする電源システム。
8. 請求項７記載の電源システムであって、前記動作モードＢにおける前記固定電圧を、放電状態となる前記出力電圧の範囲に設定することを特徴とする電源システム。
9. 請求項１乃至８のいずれか１項記載の電源システムであって、前記蓄電装置状態判定手段は、前記出力電流値に対する出力電圧値の分布に基づき、前記蓄電装置の充電率を判定することを特徴とする電源システム。
10. 請求項９記載の電源システムであって、前記充電率が所定の第１の充電率閾値より低いときは、前記動作モードＢにおける前記固定電圧を、前記充電率が前記第１の充電率閾値より高いときの固定電圧より高く設定することを特徴とする電源システム。
11. 請求項９又は１０記載の電源システムであって、前記蓄電装置状態判定手段が、前記充電率が所定の第２の充電率閾値よりも高いと判定した場合、前記燃料電池装置は、前記動作モードＢの開始時に発電動作を停止し、前記動作モードＢの終了時に発電動作を開始することを特徴とする電源システム。

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