JPH0233863A

JPH0233863A - 電池の回生保護装置

Info

Publication number: JPH0233863A
Application number: JP63184468A
Authority: JP
Inventors: Yasuhiro Takabayashi; 泰弘高林
Original assignee: Fuji Electric Corporate Research and Development Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 1988-07-25
Filing date: 1988-07-25
Publication date: 1990-02-05
Also published as: US5075813A

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野］本発明は、燃料電池発電装置あるいは太陽電池発電装置
において、電流が電池へ逆流することを防止する電池の
回生保護装置に関する。

［従来の技術］燃料電池は周知のように水素ガスと酸素ガスとが反応し
て電気を発生するとともに水が生成される。これに対し
、燃料電池の発生電圧より高い、例えば負荷側からの回
生などのように別の電源から逆方向に電圧が印加される
と逆電流が流れる。

このような逆電流は燃料電池において電気分解を引き起
こし、生成された水が分解して水素極に酸素が、酸素極
に水素が発生する。このまま放置すると、水素と酸素と
が反応してしまうために爆発の恐れがある。

そこで、負荷側から燃料電池への逆電流を防止するため
に逆流防止用ダイオードを設けたり、あるいは逆流検出
器を設けている。

従来、例えば燃料電池発電装置の逆流防止保護装置は第
５図および第６図に示す装置が知られている。これらは
燃料電池（ＦＣ）　１から出力された直流電力を、イン
バータ（ＩＮＶ）　４によって直接、交流に変換し、変
圧器（ＴＲ）　６を介して負荷（Ｌ）７へ交流電力ＰＬ
を供給する方法を用いている。

第５図に示す装置は、燃料電池の出力回路にダイオード
（Ｄ）３を設け゛、負荷７側からの回生電力を阻止する
方法を用いている。２はスイッチ（ＳＷ）であり、５は
フィルタ（ＦＬ）である。

この方法によれば運転時にダイオード３の損失（ＰＬＯ
３Ｓ＝　Ｖ、Ｘ　ＩＦ）が発生するため、効率の低下を
まねくという欠点がある。

この装置においては、（燃料電池１の発生電力ＰＦ）　
＞　（負荷電力ＰＬ）であり、等価的な電圧はＶｒｃ　
　（Ｖｏ”Ｖ＋Ｎｖ”ＶｐＬ”ＶｒＲ）＝ｖＡＣである
から、常にＶＦＣ＞ＶＡＣであることが前提条件である
。ここで、ＶＦＣは燃料電池１の端子電圧である。ＶＤ
はダイオード３、ＶＩＮＶはインバータ４、ｖｒｔ、は
フィルタ５、ＶＴＲはトランス６それぞれの電圧である
。

ＶＡＣは負荷７に供給される電圧である。

ところが、負荷が系統との連系運転または負荷に電動機
などの逆起電圧が発生する場合には、場合によってはＶ
ＦＣ＜ＶＡＣ（いわゆる回生）となる可能性がある。

一般的なインバータを用いた場合、上述のＶｌｌｌ”Ｖ
ＩＮＶ”ＶＦｌ、”ＶＴＲノ値はＶＦｃ＝１００％トス
レば、３０〜４０％の値である。この値は直交変換効率
と直接関係はない。従って５電圧ＶＡＣがその定格電圧
の３０〜４０％であるという異常値を示さない限り回生
はあり得す、回生が発生したとしてもごくまれな現象と
いえる。

第６図に示す装置においては逆方向電流を検出し、この
検出結果に基づいてスイッチを開放することによって燃
料電池の逆流保護を行う。

第６図において第５図と同様の個所には同一の符号を付
す。８は変流器（ＣＴ）の形態の電流検出器であり、負
荷７からの逆電流を検出する。この逆電流は、可変抵抗
器（ＶＲ）の形態の電流設定器９によって設定された設
定電流値を越えたときに、比較器（ＣＰ）の形態の電流
判別器ｌＯに流れる。そして、判別結果に基づいて引外
しコイル（ＴＣ）１１が動作し、スイッチ２か開放状態
となって、負荷７ｈ１ら燃料電池１に流れ込む逆電流が
遮断される。

この方法によれば、逆方向の電流が、定格電流の約１％
以下の微少電流検出となるため、検出の精度面において
問題がある。

第７図および第８図に直流−直流変換の場合の従来例を
示す。このシステムは、一般に、バッテリが接続された
、いわゆるハイブリッド方式である。

第７図は降圧チョッパを用いた装置の例を示す。第７図
において第５図と同様の個所には同一の符号を付す。Ｖ
ｒｃ＞ＶＢの状態を降下チョッパ（Ｃ）Ｉ）１５の制御
によって必要な電力Ｐ、を供給するシステムである。■
、はバッテリ（Ｂ）１Ｂの電圧である。万一、■Ｆ、ｃ
＜ＶＢとなれば、燃料電池１へ流入する逆電流が発生す
るので、逆流防止ダイオード（Ｄ　Ｉ　）　３を設けて
いるのが一般的である。

第８図は昇圧チョッパを用いた装置の例を示す。第８図
において第７図を同様の個所には同一の符号を示す。こ
の場合は、Ｖｒｃ＜Ｖ、の状態を昇圧チョッパ（ＣＨ）
１７を制御することによって昇圧し、−必要な電力Ｐ１
を負荷に供給するシステムである。この場合、昇圧チョ
ッパ１７°内のダイオード（Ｄ）３が破損した場合には
、燃料電池１へ逆流することになる。

このように直流−直流変換のシステムにおいても、燃料
電池の端子電圧を検出することによって逆流の保護を行
うことができる。

［発明が解決しようとする課題］しかしながら、上述の従来の装置において、ダイオード
を用いることによって電池へ流入する逆電流を防ごうと
する場合はシステムの運転時にはダイオードによる電池
出力電力損失が発生するという問題点があった。他方、
昇圧チョッパを用いて、逆電流を防止する装置において
は、昇圧チョッパ内のダイオードが破損したときには電
流が電池に流入してしまうという問題点があった。

さらにまた、電流検出器を用いて逆Ｔ；、流を検出し、
この検出結果に基づいてスイッチを開放することにより
逆電流を防止する装置においては、逆電流の検出を高精
度で行なわなければならないという問題点があった。

そこで、本発明の目的は、上述の問題点を解決し、逆流
防止用のダイオードを排除し、高精度の電池の電圧検出
方法を用いることにより電池への逆電流を防止する電池
の回生保護装面を提供することにある。

［課題を解決するための手段］このような目的を達成するために、本発明は、電池に接
続したスイッチング手段と、前記電池の端子電圧が、設
定値以上の電圧であるか否かを検出する手段と、該検出
信号によって、前記スイッチング手段を開放する手段と
を具えたことを特徴とする。

［作　用］本発明においては、逆流防止用ダイオードを排除すると
、万一回生が発生した場合には、第３図に示すように、
電池のＩ−Ｖ特性曲線りと負荷抵抗線Ｅとの交点である
動作点ａから矢印Ｇの方向へ移動するため（十Ｇ（電池
）電流領域から−Ｇ電流領域に向かう）燃料電池あるい
は太陽電池の端子電圧は上昇する。点Ｈは分解電圧値を
示す（ｂ点は、電池の開放＝無負荷電圧）。従って、こ
の電圧を検出し、あらかじめ設定した電圧値Ａ、Ｂまた
はＣ以上に電池の端子電圧が上昇したらスイッチを開放
状態とするようにすることにより逆電流を防ぐことがで
きる。

［実施例］以下、図面を参照して本発明の詳細な説明する。

第１図は本発明の一実施例を示す。第１図において第５
図と同様の個所には同一の符号を付す。

燃料電池１の出力電圧を変圧器（ＰＴ）の形態の電圧検
出器１２で検出し、第３図において後述する設定電圧値
Ａ、ＢまたはＣなどのいずれかの値に可変抵抗器（ＶＲ
）による電圧設定器１３によって設定した値以上に、燃
料電池１の電圧が上昇したときこれを比較器（ｃｐ）に
よる電圧判別器１４によって判別する。そして、この判
別結果に基づいてスイッチ（ＳＷ）　２の引外しコイル
（ＴＣ）＋１を動作させ、スイッチ（ＳＷ）　２を開放
状態とすることにより、負荷７から燃料電池１へ電流が
逆流するのを防止する。

第２図は本発明の他の実施例を示す。本実施例は第７図
に示したような降圧チョッパを用いた装置に本発明を適
用した例である。燃料電池１に電流が逆流するのを防ぐ
動作は第１図に示した実施例と同様であるので省略する
。

第４図は燃料電池の一般的な動作タイムチャートを示す
。ここで、設定電圧値Ａ、ＢおよびＣについて説明する
。

設定値Ａ・・・燃料電池発電装置においては、給電を開
始した後は２０％以外の軽負荷で運転することはまれで
ある。従りて、このようなシステムではＡ点に電圧を設定すればよい。

設定値Ｂ・・・上述のシステムよりさらに軽負荷の運転
を必要とするシステムにおいては、燃料電池無負荷電圧附近であるＢ点に電圧を設定すればよい。

設定値Ｃ・・・さらに無負荷附近にまで負荷が変化する
システムにおいては、０点に電圧を設定すればよい。このときは若干の逆電流が発生するが実用に問題ない。

燃料電池の発生電圧は、開放電圧（無負荷電圧）で約１
．ＩＶ／セルであり、定格負荷点で０．５Ｖ〜０．７５
Ｖであり、最低負荷運転において定格の２０〜２５％（
このときの燃料電池電圧０．８Ｖ程度）である。

第４図に示すガス供給は、燃料電池（ＦＣ）の電極温度
が１３０℃前後に到ったときに水素ガスおよび酸素ガス
を供給（−船釣には空気を供給し、空気中の酸素を利用
）すると、燃料電池が発電し、電圧が上昇して行く。

このときは、インバータ４またはチョッパ１５等のよう
な変換装置は停止状態としておく。この状態で燃料電池
の発電電圧の状態をチエツク（通称オーブン電圧チエツ
クという）することにより、燃料電池の作動状態が正常
であるか否かをチエツクする。

もし、発生電圧が上述の開放電圧値である約１．１ｖよ
りも極端に低い場合は、ガスが充分供給されていないか
（ガス供給系異常）、電極におけるガスもわが発生して
いるか等のように何らかの異常がある。発生電圧が正常
値に達した後、インバータ４またはヂョッパ１５に作動
させることにより負荷へ電力を供給する。

一旦、負荷へ電力が供給されると上述したとおり、０．
５〜０．８ｖの発生電圧において使用されることが一般
的であるので、Ａ点は０．８〜１．ＩＶの間に設定し、
８点は約１．１ｖに設定し、０点は若干の逆電流を認め
た、１．１Ｖ〜１．５ｖ程度に設定しておけばよい。こ
のような設定のもとで燃料電池１の端子電圧ＶＦＣを監
視しておけば負荷の回主による逆電流を確実に検出する
ことかできる。

以上、燃料電池発電装置における回生を例として説明し
たか、これに限るものではなく、第３図に示したように
燃料電池と同様のＩ／Ｖ特性をもつ太陽電池発電装置に
おいても、同様の回生保護装置を適用することができる
。

［発明の効果コ以上説明したように、本発明においては、電池の端子電
圧が設定値以上になったときにスイッチを開放すること
により電池に逆電流が流入するのを防ぐようにし、逆流
防止用ダイオードを排除するようにしたので、ダイオー
ドによる電力損失を低減すること・および装置の小型化
を図ることができる。また、簡単で確実な電圧検出方法
を採用することによって発電装置の信頼性が向上すると
いう効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す回路図、第２図は本発
明の他の実施例を示す図、第３図は燃料電池および太陽
電池のＩ／Ｖ特性の説明図、第４図は燃料電池発電装置の一般的な動作タイムチャー
ト、第５図は逆流防止ダイオードを用いた従来の装置の一例
を示す回路図、第６図は逆流電流検出方法を用いた従来の装置の一例を
示す回路図、第７図は直流−直流変換降圧チョッパを用いた従来の装
置の一例を示す回路図、第８図は直流−直流変換昇圧チョッパを用いた従来の装
置の一例を示す回路図である。１３・・・電圧設定器、１４・・・電圧判別器、１５・・・降圧チョッパ。１・・・燃料電池、２・・・スイッチ、４・・・インバータ、７・・・負荷、１１・・・引外しコイル、１２・・・電圧検出器、す声孝十電運うわコひ゛六方１暇法乙ρ挙予小虹のす危
明聞第３図徴米０炊ｒＬｆ）回ヂを聞第７図１５＾ブ干リイ美釆の貸Ｉの回鈴区第８図

Claims

【特許請求の範囲】１）電池に接続したスイッチング手段と、前記電池の端子電圧が、設定値以上の電圧であるか否か
を検出する手段と、該検出信号によって、前記スイッチング手段を開放する
手段とを具えたことを特徴とする電池の回生保護装置。