JP5555153B2

JP5555153B2 - 再生型燃料電池装置を備えた電源設備

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Publication number: JP5555153B2
Application number: JP2010289386A
Authority: JP
Inventors: 豊敏黒瀬
Original assignee: Kawasaki Jukogyo KK
Current assignee: Kawasaki Motors Ltd
Priority date: 2010-12-27
Filing date: 2010-12-27
Publication date: 2014-07-23
Anticipated expiration: 2030-12-27
Also published as: JP2012138241A

Description

本発明は、燃料電池を用いた再生型燃料電池装置を備えた電源設備に関し、特に、飛行船等の電源設備に適した再生型燃料電池装置を備えた電源設備に関する。

成層圏プラットフォームに用いられる飛行船など、長期間にわたって滞空する飛行船では、飛行、姿勢制御、その他の制御に必要な電力を確保する工夫が必要である。電力を得るための電源設備として、太陽電池パネルを用いた設備が考えられているが、太陽電池パネルは、太陽光を受けることができる昼間しか発電をすることができないため、夜間に発電できるように燃料電池を併用することが考えられている。

このように太陽電池パネルを利用する電力源と燃料電池とを併用する電源設備として、例えば、本出願人が先に出願した発明がある。この発明では、太陽電池パネルの温度によって発電電圧値が異なる特性を利用して、太陽電池パネルで発電される電力が蓄電バスラインに供給される状態、および出力バスラインに供給される状態、のいずれかに供給状態を切換える電源制御装置を設けている。また、この電源制御装置が、太陽電池パネルの電力を優先的に負荷装置へ供給し、太陽電池パネルの電力だけでは不足が生じる場合は、その不足分の電力を燃料電池から供給し、太陽電池パネルの電力に余剰電力がある場合には、その余剰電力を再生器に供給するようにしている（特許文献１参照）。

なお、他の先行技術として、燃料電池スタックの所定位置に集電板を挿入し、燃料電池スタックの端部に設けられた集電板と所定位置に挿入した集電板との間から燃料電池スタックの発電電力の一部を取出し、取出された電力を低電圧で作動する負荷に供給するようにした燃料電池システムがある（例えば、特許文献２参照）。

特開２００７−４９８６８号公報特開２００６−３１８８０８号公報

しかしながら、上記飛行船では、外気温度の変化や太陽電池パネルへの太陽光の照射状況が変化することに起因して太陽電池セルの温度が変化して電流−電圧特性（以下、単に「Ｉ−Ｖ特性」ともいう）が変化し、その結果、太陽電池パネルと再生機が効率よく運転できるそれぞれのＩ−Ｖ特性に差が生じ、太陽電池パネルから再生機に送る電力の一部が使用できなくなる。

その対策としては、太陽電池特性を発電状況に応じて再生器特性に合わせるか、再生器特性を太陽電池特性に合わせるか、あるいはその両方を調整するかのいずれかが考えられる。これらの対策の具体的な方法として、例えば、ＤＣ／ＤＣコンバータ等のコンディショナを各太陽電池パネルや再生機とバスとの接続の間に挿入することにより調整する方法などが考えられる。しかし、このような対策は、重量の増加や設備費用の大幅な上昇を招くため、上記飛行船のような構成において採用するのは難しい。

なお、上記特許文献１，２では、上記したような再生器のＩ−Ｖ特性と太陽電池の最大効率点とが一致しないことによって効率が悪化することや、その対策について何ら記載されていない。

そこで、本発明は、太陽電池パネルの電力ロスを低減させて発電電力利用効率向上を図ることができる再生型燃料電池装置を備えた電源設備を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、太陽電池パネルを備える太陽電池装置と、燃料電池および前記燃料電池による化学反応で生成される物質から燃料を生成する再生器を備える再生型燃料電池装置と、前記太陽電池装置および前記再生器が接続された蓄電バスラインと、前記太陽電池装置と前記燃料電池および電力供給系出力部が接続された出力バスラインと、前記太陽電池装置で発電される電力が前記蓄電バスラインに供給される状態、および前記太陽電池装置で発電される電力が前記出力バスラインに供給される状態、のいずれかに供給状態を切換える電源制御装置とを有する再生型燃料電池装置を備え、前記再生型燃料電池装置は、前記太陽電池装置の電流−電圧特性の変化に応じて、前記再生器の電流−電圧特性を前記太陽電池装置の最大効率点電圧に近づけるように調整する調整機構を備えていることを特徴とする。この明細書および特許請求の範囲の書類中における「最大効率点」は、太陽電池装置の出力電力が最大となる運転状態における電流−電圧値をいう。

これにより、成層圏飛行船等の電源システムにおける再生型燃料電池装置を備えた電源設備において、太陽電池装置の電流−電圧特性が変化したとしても、その変化に応じて再生器の電流−電圧特性を太陽電池装置の最大効率点に近づけるように調整機構で調整するので、太陽電池の発電電力の電力ロスを低減させて効率良く再生型燃料電池装置を備えた電源設備を運用することができる。

また、前記再生器は、電流−電圧特性を変化させる複数のセルを具備した可変容量型再生器を有し、前記調整機構は、前記太陽電池装置の電流−電圧特性の変化に応じて、前記可変容量型再生器のセル接続数を調整するように構成されていてもよい。

このようにすれば、太陽電池装置の電流−電圧特性変化に応じて可変容量型再生器のセル接続数で再生器の容量を調整して、再生器の電流−電圧特性を太陽電池装置の最大効率点に近づけるように調整することができる。

また、前記再生器は、複数個の固定容量型再生器を有し、前記調整機構は、前記太陽電池装置の電流−電圧特性の変化に応じて、前記固定容量型再生器の接続数を調整するように構成されていてもよい。

このようにすれば、太陽電池装置の電流−電圧特性変化に応じて固定容量型再生器の接続数で再生器の容量を調整して、再生器の電流−電圧特性を太陽電池装置の最大効率点に近づけるように調整することができる。

また、前記再生器は、電流−電圧特性を変化させる複数のセルを具備した可変容量型再生器と、複数個の固定容量型再生器とを有し、前記調整機構は、前記太陽電池装置の電流−電圧特性の変化に応じて、前記可変容量型再生器のセル接続数と、前記固定容量型再生器の接続数とを調整するように構成されていてもよい。

このようにすれば、太陽電池装置の電流−電圧特性変化に応じて可変容量型再生器のセル接続数による容量調整と固定容量型再生器の接続数による容量調整とで、再生器の電流−電圧特性を太陽電池装置の最大効率点に近づけるように容量調整することができ、太陽電池装置の電流−電圧特性変化に応じて再生器の電圧特性をより細かく調整して太陽電池の電力ロスを更に抑えることができる。なお、この明細書および特許請求の範囲の書類中では、上記したような再生器の容量調整によってＩ−Ｖ特性を調整する方法を「再生器可変容量方法」ともいう。

一方、本発明の飛行船は、前記いずれかの再生型燃料電池装置を備えた電源設備を具備させた飛行船であって、前記太陽電池パネルを外皮上部の機軸に沿って配設していることを特徴とする。

これにより、成層圏飛行船等の電源システムにおける再生型燃料電池装置を備えた電源設備を、太陽電池装置の電流−電圧特性が変化したとしても、その変化に応じて再生器の電流−電圧特性を太陽電池装置の最大効率点に近づけて効率良く運用することができる。

本発明によれば、再生器の電流−電圧特性を、太陽電池の最大効率点に近づけるように細かく調整できるので、再生型燃料電池装置を備えた電源設備における太陽電池の発電電力の利用効率を向上させることが可能となる。

本発明に係る再生型燃料電池装置を備えた電源設備を飛行船に具備させた構成を示す回路図である。本発明に係る再生型燃料電池装置を備えた電源設備における再生器の調整機構概念を示す図面であり、(a) は、太陽電池装置の電流−電圧特性の変化と、再生器の電流−電圧特性の調整との関係を示すグラフであり、(b) は、再生器の電圧特性を調整する構成の模式図である。本発明に係る電源設備の第１実施形態における図面であり、(a) は、太陽電池装置の電流−電圧特性の変化と、再生器の電流−電圧特性の調整との関係を示すグラフであり、(b) は、再生器の電圧特性を調整する構成の模式図である。本発明に係る電源設備の第２実施形態における図面であり、(a) は、太陽電池装置の電流−電圧特性の変化と、再生器の電流−電圧特性の調整との関係を示すグラフであり、(b) は、再生器の電圧特性を調整する構成の模式図である。本発明に係る電源設備の第３実施形態における図面であり、(a) は、太陽電池装置の電流−電圧特性の変化と、再生器の電流−電圧特性の調整との関係を示すグラフであり、(b) は、再生器の電圧特性を調整する構成の模式図である。本発明に係る電源設備の第４実施形態における図面であり、(a) は、太陽電池装置の電流−電圧特性の変化と、再生器の電流−電圧特性の調整との関係を示すグラフであり、(b) は、再生器の電圧特性を調整する構成の模式図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。以下の実施形態では、成層圏プラットフォームに用いられる飛行船に具備させる再生型燃料電池装置を備えた電源設備を例に説明する。

図１に示すように、この電源設備１は、太陽電池パネル３を備える太陽電池装置２と、燃料電池５および再生器６を備える再生型燃料電池装置４とを有している。上記太陽電池パネル３は、複数に分割されたパネルグループからなっており、例えば、飛行船の機体を構成する外皮の上部に設けられる。

また、上記電源設備１は、太陽電池パネル３を備えた太陽電池装置２、再生型燃料電池装置４および自己の負荷装置に接続される電力供給系出力部１０を電気的に接続するハウジング１５と、ハウジング１５内の接続関係を制御する電源制御装置１３とを有する。ハウジング１５は、上記太陽電池装置２および再生器６が接続された蓄電バスライン１１と、上記太陽電池装置２と燃料電池５および電力供給系出力部１０が接続された出力バスライン１２と、上記太陽電池装置２で発電される電力が上記蓄電バスライン１１に供給される状態、および上記太陽電池装置２で発電される電力が上記出力バスライン１２に供給される状態、のいずれかに供給状態を切換える電源制御装置１３とを有している。上記電力供給系出力部１０としては、飛行船を推進する推進装置、ならびに飛行船に備えられる通信や観測等を行うための機器を含む電力供給系出力先であり、出力バスライン１２から電力が供給される。

また、ハウジング１５には、地上などに設けられた外部電源と電気的に接続される外部電源入力部１６が設けられている。各バスライン１１，１２は、外部電源接続開閉手段１７，１８を介して外部電源入力部接続コネクタ１６と接続されている。これらの外部電源接続開閉手段１７，１８が閉じられ、外部電源入力部１６が地上の外部電源に接続されると、外部電源入力部１６から電力が各バスライン１１，１２に供給される。

上記再生型燃料電池装置４は、上記燃料電池５で燃料を化学反応させて発電し、再生器６で燃料電池５の化学反応と逆反応によって燃料電池５による化学反応で生成される物質から燃料を生成する。この再生型燃料電池装置４としては、例えば、燃料として水素（Ｈ₂）および酸素（Ｏ₂）を用いるものが利用でき、水素と酸素とを取込んで化学反応させることで発電し、その化学反応によって生成される水（Ｈ₂Ｏ）を排出し、この水を再生器６で電気分解して水素と酸素とを生成し、上記発電の燃料として利用できる。

また、上記電源制御装置１３は、電力供給系出力部１０で必要とされる電力を、太陽電池装置２で発電される電力を優先させて、太陽電池装置２および燃料電池５から供給する。この電源制御装置１３は、電力供給系出力部１０で必要とされる電力を、太陽電池装置２だけで賄うことができる場合、太陽電池装置２から電力供給系出力部１０に電力を供給する。太陽電池装置２だけで賄うことができない場合、太陽電池装置２で発電される電力を電力供給系出力部１０に供給し、電力供給系出力部１０で必要な電力の不足分を燃料電池５の電力で補うようになっている。

また、この電源制御装置１３は、電力供給系出力部１０に電力を供給しても、太陽電池装置２で発電される電力に余剰分があれば、その余剰分を再生器６に供給する。このように、電源制御装置１３は、電力供給系出力部１０で必要な電力と、太陽電池装置２で発電される発電電圧値とによって、太陽電池装置２で発電される電力の供給先を、電力供給系出力部１０および再生器６のいずれかに振分け制御するように構成されている。

一方、上記ハウジング１５は、太陽電池装置２と各バスライン１１，１２とを電気的に接続する太陽電池接続ライン２０を有する。太陽電池接続ライン２０は、蓄電ライン２１と出力ライン２２とを有する。

上記蓄電ライン２１は、太陽電池接続蓄電開閉手段２３を介して蓄電バスライン１１に接続されている。上記出力ライン２２は、太陽電池装置２から出力バスライン１２に向かう方向の電流の流れを許容し、逆方向の電流の流れを阻止する太陽電池接続整流手段２４を介して出力バスライン１２に接続されている。

さらに、上記ハウジング１５は、燃料電池５と出力バスライン１２とを電気的に接続する燃料電池接続ライン２５と、再生器６と蓄電バスライン１１とを電気的に接続する再生器接続ライン２６とを有している。上記燃料電池接続ライン２５には、燃料電池接続開閉手段２７と、燃料電池５から出力バスライン１２に向かう方向の電流の流れを許容し、逆方向の電流の流れを阻止する燃料電池接続整流手段２８とが設けられている。上記燃料電池接続開閉手段２７が閉じられると、燃料電池５で発電される電力は、燃料電池接続整流手段２８を介して自動的に出力バスライン１２に供給される。

また、上記再生器接続ライン２６には、再生器接続開閉手段２９と、蓄電バスライン１１から再生器６に向かう方向の電流の流れを許容し、逆方向の電流の流れを阻止する再生器接続整流手段３０とが設けられている。上記再生器接続開閉手段２９が閉じられると、蓄電バスライン１１に供給される電力は、再生器接続整流手段３０を介して自動的に再生器６に供給される。

さらに、上記電源制御装置１３は、太陽電池装置２の発電状況等をモニタする太陽電池発電状況モニタを内蔵している。この電源制御装置１３は、太陽電池パネル３とデータ入力ライン３１で接続されており、太陽電池発電状況モニタで太陽電池パネル３の発電状況を監視している。得られた太陽電池パネル３の発電状況に関するデータは、複数の太陽電池パネルグループの個々の作動状況を監視し、蓄電バスライン１１に接続するグループを選定するために用いている。またグループ毎のヘルスチェックにも使用している。また、太陽電池発電状況モニタでは、太陽電池装置２で発電される電力の電圧値と電流値との関係であるＩ−Ｖ特性（Ｉ−Ｖ曲線）と、最大電力値とを求め、求めたＩ−Ｖ特性および最大電力値を電源制御装置１３に出力している。さらに、電源制御装置１３は、上記太陽電池接続ライン２０とモニタ接続ライン３２で接続されている。このモニタ接続ライン３２には、モニタ接続開閉手段３３が設けられている。この電源制御装置１３は、再生型燃料電池装置４と信号ライン３４で接続されている。

このような構成により、太陽電池装置２で発電される電力は、太陽電池接続蓄電開閉手段２３が開いている太陽電池接続ライン２０から分岐した出力ライン部２２の太陽電池接続整流手段２４を介して自動的に出力バスライン１２に供給される。また、太陽電池接続蓄電開閉手段２３が閉じられると、太陽電池装置２で発電される電力は蓄電ライン２１に供給される。

上記電源制御装置１３は、例えばコンピュータによって実現され、太陽電池発電状況モニタ（電源制御装置１３に内蔵）の検出結果を含む各種情報に基づいて、各開閉手段２３，２７，２９，３３に開閉動作を制御するように構成される。

このように電源制御装置１３は、太陽電池パネル３と、再生型燃料電池装置４と、電力供給系出力部１０と、外部電源入力部１６と、電源制御装置（太陽電池発電状況モニタ）１３の接続状態を制御し、電力の供給状態を制御するようになっている。また、この電源制御装置１３による各機器の制御が、後述するように、太陽電池装置２の電流−電圧特性の変化に応じて、再生器６の電流−電圧特性を太陽電池装置２の最大効率点に近づけるように調整する調整機構８（図２(b) ）である。この調整機構による調整としては、再生器６の定格運転時の電流−電圧特性を後述するように変化させることで、この再生器６に電力供給する太陽電池装置２の最大効率点と一致するように近づけることによって行われる。この調整機構は、電源制御装置１３からの信号に基づいて再生型燃料電池装置４が調整するように構成してもよい。

なお、図では、電源制御装置１３から各開閉手段２３，２７，２９，３３への信号配線の記載を省略している。また、上記ハウジング１５に設けられる各開閉手段２３，２７，２９，３３は、開閉動作によってラインの導通および遮断状態を切換える手段であり、例えば継電器によってそれぞれ実現される。ハウジング１５に設けられる各整流手段２４，２８，３０は、例えばダイオードによってそれぞれ実現される。

以上のような電源設備１によれば、夜間の太陽電池装置２による発電が不可能な状況下では、燃料電池５で発電される電力を電力供給系出力部１０に供給するように制御しているが、昼間の太陽電池装置２による発電が可能な状況下では、太陽電池装置２で発電される電力を、機体運用のために電力供給系出力部１０に供給し、太陽電池装置２で発電される電力に余剰分がある場合、再生器６に供給するように制御し、万一、太陽電池装置２で発電される電力だけでは電力が不足した場合、燃料電池５で補充するように制御する。従って、上記電源設備１は、特に長期間にわたって滞空する、例えば、成層圏プラットフォームに利用される飛行船に好適な電源設備１となる。

しかも、上記電源設備１では、軽量化をはかるためコンディショナ等の重量物を一切用いることなく、開閉手段（継電器）２３，２７，２９，３３のみにより直接各要素を断続している。これにより、電源設備１の軽量化を図ることができるので、更に上記飛行船の電源設備として好適に搭載することができる。

次に、図２(a),(b) に基づいて、本発明に係る再生型燃料電池装置を備えた電源設備における再生器の調整機構概念を説明する。図２(a) は、上記太陽電池装置２、再生型燃料電池装置４の電圧値および電流値の関係の一例を示すグラフであり、横軸は、電流値を示し、縦軸は電圧値を示している。図１に示す構成には、図１の符号を付して説明する。

図２(a) に示すように、電源設備１における電圧設計では、まず、所定の日照量における太陽電池装置２の発電特性である破線４０で示すＩ−Ｖ特性における最大発電時最高効率点（最大効率点）と、再生器６の実線４１で示すＩ−Ｖ特性における最大効率運転時の電力の交点に、再生器６の定格運転点４２が決定される。

一方、太陽電池装置２は、上記したように太陽光線と受光面との成す角度によって発電電力値が変化し、太陽光線と受光面との成す受光角度が小さくなって日照量が小さくなるにつれて太陽電池装置２の発電特性が変化して、例えば、図２(a) に実線４３で示すようなＩ−Ｖ特性になる。特に、飛行船の場合、昼間は外皮内の気体温度上昇を防ぐために、予め定める領域内で旋回等飛行して外気との対流による熱交換で外皮内の気体温度上昇を抑えるように運用するので、飛行船の太陽に対する姿勢が常時変化して太陽電池の発電状況も常時変化する。

そして、太陽電池装置２のＩ−Ｖ特性が実線４３で示すような状態となった場合に、上記再生器６のＩ−Ｖ特性を実線４１の状態で保つと、再生器６は太陽電池装置２のＩ−Ｖ特性４３における運転点４４での運転となってしまう。つまり、この場合には、双方のＩ−Ｖ特性により、電圧Ｖ１よりも高い範囲Ｒが有効に利用されない電流Ｉ１と電圧Ｖ１との範囲における運転となり、太陽電池装置２の発電電力のうち高い範囲Ｒ部分が利用されない効率の悪い運転となる。

そこで、図２(b) に示すように、この実施形態では、上記再生器６の電圧を可変にすることで、上記太陽電池装置２のＩ−Ｖ特性変化に対応して再生器６のＩ−Ｖ特性を変化させることができるようにしている。具体的には、再生器６のセル数を増やし、それらのセルに接続できる電極端子４５を多数設けることで、選択できるセル数を可変にした調整機構８を備えさせている。すなわち、再生器６を電圧可変の可変容量型再生器６とすることでＩ−Ｖ特性を変化させることができる調整機構８を備えさせている。

そして、図２(a) に示すように、太陽電池装置２の発電電力値が低下してＩ−Ｖ特性が実線４３のように変化した場合、再生器６の電極端子４５の接続位置を調整機構８で変化させてセル数を増やすことで再生器６のＩ−Ｖ特性の電圧を実線４６で示すように上げて、太陽電池装置２のＩ−Ｖ特性の実線４３における最大効率点（最大発電時最高効率点）に再生器６の定格運転点４７を近づける。これにより、太陽電池装置２の電流Ｉ２と電圧Ｖ２との範囲における運転となり、太陽電池装置２の発電電力のＲ部分を効率良く利用することができる。

この場合、再生器６の運転点４４が運転点４７に変化するため、電流Ｉ１−Ｉ２と電圧Ｖ１との範囲Ｂが利用されなくなるが、電流Ｉ２と電圧Ｖ１−Ｖ２の範囲Ｒに比べれば小さい範囲なので、発電電力全体では広い範囲を有効に利用することになる。

このように、再生器６のＩ−Ｖ特性４６を太陽電池装置２のＩ−Ｖ特性４３に応じて変化させ、太陽電池装置２の最大効率点に再生器６の運転点４７を近づけるように調整可能とすることで、無効となる太陽電池発電電力を有効に利用することが可能となるようにしている。

次に、図３(a),(b) 〜６(a),(b) に基づいて、上記電源設備１において、再生器の電流−電圧特性を太陽電池装置２の最大効率点に近づけるように調整する調整機構８の具体的な例を説明する。

図３(a),(b) に示す第１実施形態は、再生器６のセル数を可変にして電流−電圧特性を太陽電池装置２の最大効率点に近づけるように調整する調整機構８による再生器可変容量方法の例である。この例は、単スタックによる再生器可変容量方法である。図１に示す構成には、図１の符号を付して説明する。

図３(a) に示すように、上記太陽電池装置２の電圧設計で設定したＩ−Ｖ特性を示す破線５０は、再生器６の破線５１で示すＩ−Ｖ特性における定格運転点５２が太陽電池装置２の最大発電時最高効率点に設定されているが、太陽高度の変化等によって太陽電池装置２の発電特性が変化する。そこで、この実施形態では、図３(b) に示すように、再生器６のセル数をＡ〜Ｄの４段階で調整できるようにしている。

そして、太陽電池装置２の発電電力値が低下した場合、太陽電池装置２のＩ−Ｖ特性の変化（図示する破線５３〜５５）に対応して、再生器６のＩ−Ｖ特性を破線５６〜５８で示すように変化させる。

すなわち、この例では、図３(b) に示すように、可変容量型再生器６のセル数を可変とする電極端子４５を多数（この例では、電極端子４５をＡ〜Ｄの４位置）設けているので、太陽電池装置２のＩ−Ｖ特性変化による電力低下に応じて電力的に有利なセル数となるように再生器６の電極端子４５の位置を選択して接続することで電圧（容量）を高くし、再生器６のＩ−Ｖ特性を４段階で変化させることができるようにしている。

これにより、図３(a) に示すように、再生器６のＩ−Ｖ特性を太陽電池装置２の最高効率点に近づけて、再生器６の運転点をＡ〜Ｄ位置とし、太陽電池装置２の発電電力を有効に利用することで再生エネルギ量を上げて効率向上を図っている。各運転点Ａ〜Ｄにおける発電電力の利用範囲は上記図２(a) と同様であるため、その説明は省略する。

なお、この実施形態では、図３(b) に示す可変容量型再生器６に増設したセルの位置の電極端子４５を等間隔のピッチで設けているが、電極端子４５を設けるピッチは、例えば、「大」、「中」、「小」と不当間隔としてもよい。この電極端子４５の不当間隔は、図３(a) に示すような太陽電池装置２の電圧低下の特性等に応じて変化させるセル数に対応して設定すればよい。また、図示する４段階は一例であり、更に細かく設定してもよい。

図４(a),(b) に示す第２実施形態は、固定容量型再生器７を複数個設け、それらの再生器７を直列的に接続する個数を調整してＩ−Ｖ特性を変化させる調整機構８による再生器可変容量方法（再生器個数可変）の例である。なお、上記図１に示す構成には、図１の符号を付して説明する。

この実施形態の場合、図４(a) に示すように、上記太陽電池装置２のＩ−Ｖ特性を示す破線６０が変化した場合、その太陽電池装置２のＩ−Ｖ特性変化による電力低下に応じて、図４(b) に示すように、電力的に有利な個数の再生器７の接続数となるように継電器６１による接続数が選択される。これにより、再生器７としてのＩ−Ｖ特性を、再生器７の接続数に応じて電圧が高くなる特性に変化させることができる。図では、５個の接続された継電器６１により、４個の再生器７が直列接続された状態となっている。この実施形態の場合、再生器７の数量は、各再生器７の端部構造や補器類の増加に伴う重量増加を抑える数量が好ましい。

この実施形態によれば、太陽電池装置２のＩ−Ｖ特性が破線６０から破線６２〜６４に示すように変化するのに応じて、再生器７の接続数を変化させることで、図４(a) に示すように再生器７のＩ−Ｖ特性を破線６５〜６８で示すように変化させることができる。図示する４段階は一例であり、更に細かく設定することもできる。

従って、この実施形態によっても、上記第１実施形態と同様に、再生器７の運転点をＡ〜Ｄを太陽電池装置２の最高効率点に近づけて太陽電池装置２の発電電力を有効に利用することで、再生エネルギ量を上げて効率向上を図ることができる。

図５(a),(b) に示す第３実施形態は、固定容量型再生器７を複数個設け、それらの再生器７を並列的に接続する個数を調整してＩ−Ｖ特性を変化させる調整機構８による再生器可変容量方法（再生器個数可変）の例である。なお、上記図１に示す構成には、図１の符号を付して説明する。

この実施形態の場合、図５(b) に示すように、３台の再生器７が太陽電池装置２と並列に接続されている。この例では、１台の再生器７が太陽電池装置２と接続された状態で、再生器７の定格運転点が太陽電池装置２の最大効率点となるようにしている。

そして、太陽電池装置２のＩ−Ｖ特性が変化して電圧が下がった場合には、再生器７の接続個数を増やすことで、再生器７の全体でのＩ−Ｖ特性を変化させている。すなわち、この例では、３台の再生器７を設けているため、図５(a) に破線７０〜７２で示すように、３段階のＩ−Ｖ特性を得ることができ、太陽電池装置２の発電電力値の変化に応じて、電力的に有利な再生器７の接続数となるように、継電器７３で各再生器７が太陽電池装置２と接続される。この実施形態では、同一のＩ−Ｖ特性の再生器７を並設することでＩ−Ｖ特性を調整することができ、従来の再生器を使用することもできる。

従って、この実施形態によっても、上記第１実施形態と同様に、再生器７の運転点をＡ〜Ｃを太陽電池装置２の最高効率点に近づけて太陽電池装置２の発電電力を有効に利用することで、再生エネルギ量を上げて効率向上を図ることができる。

図６(a),(b) に示す第４実施形態は、上記図３(a),(b) に示す第１実施形態と、上記図５(a),(b) に示す第３実施形態とを組合わせた調整機構８による再生器可変容量法（セル数可変および再生器個数可変）の例である。なお、上記図３(a),(b) に示す構成と同一の構成には同一符号を付し、その説明は省略する。

この実施形態の場合、図６(b) に示すように、セル数を増やしてそれらのセル数を選択できる電極端子４５を多数設けることで容量可変にした可変容量型再生器６が１台と、固定容量型再生器７が２台設けられている。これら３台の再生器６，７は、太陽電池装置２と並列に接続されている。この例では、１台の再生器７が太陽電池装置２と接続された状態で、再生器の定格運転点が太陽電池装置２の最大効率点となるようにしている。

この実施形態の場合、図６(a) に示すように、上記可変容量型再生器６のセル数変更によるＩ−Ｖ特性の調整を太陽電池装置２の発電電力値が低い位置で行い、並設した２台の固定容量型再生器７の接続数によるＩ−Ｖ特性の調整を太陽電池装置２の発電電力値が高い位置で行うようにしている。

このように可変容量型再生器６と固定容量型再生器７とを備えた複合型の電源設備１によれば、太陽電池装置２の電圧設計で設定したＩ−Ｖ特性が破線８０のときには、１台の固定容量型再生器７のみを接続し、太陽電池装置２の発電電力の低下によってＩ−Ｖ特性が下がると継電器８１を接続してもう１台の固定容量型再生器７を太陽電池装置２に接続する。そして、更にＩ−Ｖ特性が下がると、可変容量型再生器６の継電器８１を接続する。この可変容量型再生器６を接続した状態では、セル数の接続数を電極端子４５の接続位置で調整することで、再生器６（再生器７を含む全体）のＩ−Ｖ特性を細かく調整することができる。

図６(a) の右部に２本の破線８２，８３で示すＩ−Ｖ特性が、固定容量型再生器７を１台接続したときと２台接続したときの再生器７のＩ−Ｖ特性であり、左部に４本の破線８４〜８７で示すＩ−Ｖ特性が可変容量型再生器６を接続したとき（継電器８１(C) を接続したとき）の再生器６のＩ−Ｖ特性である。

従って、この実施形態によっても、上記第１実施形態と同様に、再生器６，７の運転点を太陽電池装置２の最高効率点に近づけて太陽電池装置２の発電電力を有効に利用することで、再生エネルギ量を上げて効率向上を図ることができる。

また、この実施形態では、図６(a) に、成層圏プラットフォームに用いられる飛行船における定格電力の一例を曲線８８で示している。従って、この曲線８８を超える範囲の電力を余剰分として再生器６，７に供給することができる。

以上のように、上記再生型燃料電池装置４を備えた電源設備１によれば、再生器６（７）のＩ−Ｖ特性を太陽電池装置２のＩ−Ｖ特性の変化に応じて調整することができるので、太陽電池装置２および再生型燃料電池装置４で得られる電力を効率良く電力供給系出力部１０に供給して、太陽電池装置２による発電電力の利用効率を向上させることが可能となる。

しかも、太陽電池装置２の発電電力値の変化に応じて再生器６のセル接続数または再生器７の接続数を可変にして調整する再生器可変容量法としているので、太陽電池装置２のＩ−Ｖ特性変化に応じて再生器６（７）の電力を調整してＩ−Ｖ特性を変化させるという簡単な制御で、太陽電池装置２の発電電力の利用効率を向上させた電源設備１の運転が可能となる。

従って、上記再生型燃料電池装置を備えた電源設備１によれば、成層圏プラットフォームに用いられる飛行船のように、長期間滞空して自己が使用する電力を発電しなければならない構成に、長期間にわたって飛行、姿勢制御等の電力を再生して、効率的で運転ができる電源設備１を提供することが可能となる。

しかも、上記電源設備１によれば、コンディショナ等の重量物を用いないためシステムの軽量化を図ることができ、制御する構成もシンプル（開閉手段としての継電器のみでの制御となる）となるので、重量および設備費用の増加を抑えて負荷を小さくし、上記飛行船のように長期間滞空する構成において効率改善効果の高い電源設備１を構成することができる。

なお、上記実施形態では、成層圏プラットフォームに用いられる飛行船等に備える電源設備１を例に説明したが、他の用途に用いられる電源設備としても利用することができ、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。

また、上記実施形態における蓄電バスライン１１と出力バスライン１２を設ける構成も一例であり、他の構成であってもよく、上記実施形態に限定されるものではない。

さらに、上述した実施形態は一例を示しており、本発明の要旨を損なわない範囲での種々の変更は可能であり、本発明は上述した実施形態に限定されるものではない。

本発明に係る再生型燃料電池装置を備えた電源設備は、成層圏などで自らが消費する電力を長期間自給しなければならない飛行船等に利用できる。

１電源設備
２太陽電池装置
３太陽電池パネル
４再生型燃料電池装置
５燃料電池
６再生器（可変容量型）
７再生器（固定容量型）
８調整機構
１０電力供給系出力部
１１蓄電バスライン
１２出力バスライン
１３電源制御装置（太陽電池発電状況モニタ）
２０太陽電池接続ライン
２１蓄電ライン
２２出力ライン
３４信号ライン
４０太陽電池装置のＩ−Ｖ特性
４１再生器のＩ−Ｖ特性
４２定格運転点
４３太陽電池装置のＩ−Ｖ特性
４６再生器のＩ−Ｖ特性
５０太陽電池装置のＩ−Ｖ特性
５１再生器のＩ−Ｖ特性
５２定格運転点
５３太陽電池装置のＩ−Ｖ特性
５６再生器のＩ−Ｖ特性
６０太陽電池装置のＩ−Ｖ特性
６５再生器のＩ−Ｖ特性
６２太陽電池装置のＩ−Ｖ特性
６６再生器のＩ−Ｖ特性
７０太陽電池装置のＩ−Ｖ特性
８０太陽電池装置のＩ−Ｖ特性
８２再生器のＩ−Ｖ特性

Claims

太陽電池パネルを備える太陽電池装置と、燃料電池および前記燃料電池による化学反応で生成される物質から燃料を生成する再生器を備える再生型燃料電池装置と、前記太陽電池装置および前記再生器が接続された蓄電バスラインと、前記太陽電池装置と前記燃料電池および電力供給系出力部が接続された出力バスラインと、前記太陽電池装置で発電される電力が前記蓄電バスラインに供給される状態、および前記太陽電池装置で発電される電力が前記出力バスラインに供給される状態、のいずれかに供給状態を切換える電源制御装置とを有する再生型燃料電池装置を備え、
前記再生型燃料電池装置は、前記太陽電池装置の電流−電圧特性の変化に応じて、前記再生器の電流−電圧特性を前記太陽電池装置の最大効率点電圧に近づけるように調整する調整機構を備えていることを特徴とする再生型燃料電池装置を備えた電源設備。
前記再生器は、電流−電圧特性を変化させる複数のセルを具備した可変容量型再生器を有し、
前記調整機構は、前記太陽電池装置の電流−電圧特性の変化に応じて、前記可変容量型再生器のセル接続数を調整するように構成されている請求項１に記載の再生型燃料電池装置を備えた電源設備。
前記再生器は、複数個の固定容量型再生器を有し、
前記調整機構は、前記太陽電池装置の電流−電圧特性の変化に応じて、
前記固定容量型再生器の接続数を調整するように構成されている請求項１に記載の再生型燃料電池装置を備えた電源設備。
前記再生器は、電流−電圧特性を変化させる複数のセルを具備した可変容量型再生器と、複数個の固定容量型再生器とを有し、
前記調整機構は、前記太陽電池装置の電流−電圧特性の変化に応じて、
前記可変容量型再生器のセル接続数と、前記固定容量型再生器の接続数とを調整するように構成されている請求項１に記載の再生型燃料電池装置を備えた電源設備。
請求項１〜４のいずれか１項に記載の再生型燃料電池装置を備えた電源設備を具備させた飛行船であって、
前記太陽電池パネルを外皮上部の機軸に沿って配設していることを特徴とする飛行船。