JPS6035919A - 燃料電池電源システムのバツクアツプ装置 - Google Patents

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】 （イ）産業上の利用分野 本発明（１燃料電池の直流電力を直交変換器により交流
電力に変換して負荷に給電する電源システムに係り、特
に負荷変動に対して燃料電池電圧を補償するバックアッ
プ装置に関するものである。

（ロ）従来技術 燃料電池電源システムは、定常状態においてその負荷に
対す・る燃料（水素ガス）の供給量が充分であるので第
５図に示すような出力静特性（工は負荷電流％　ｖＦは
燃料電池の出力電圧を表わす）を示す。しかし燃料電池
は負荷変動に対する応答速度が緩慢で、軽負荷σ１）か
ら重負荷（工２）への変動時燃料供給量が不足してその
出力電圧が急激に低下し、２ｇ５図の静特性からはずれ
て直交変換器の入力電圧変化許容値を逸脱し、その出力
電圧（負荷電圧）の不安定を招く。そのため商用電源か
らのバックアップが考えられるが、本出順人はさきに第
１図に示すバックアップ装置を提案した。

（特願昭５８−１０６５４８） この第１図について説明するに、燃料電池（ＦＣ）の直
流出力は直交変換器（↓ＮＶ）で交流電力に変換して負
荷（ト）に給電される。バックアップ電源ｍは、三相ブ
リッジ制御整流器（２）と平滑回路（Ｃ１゜Ｌ）を含み
、商用三相交流は、制御整流器（２１を構成するサイリ
スタの点弧位相制御〔位相制御器（３）による〕で順変
換されて脈流となり、そして平滑回路によりリップルを
除去してバックアップ用直流出力となる。

検出器（６）により上記と同じ分圧比で分圧された信号
（ＶＤりを遅延回路（Ｃ２１巧を介して遅れ要素を加え
た基準信号（′ｖＤ１）とを誤差増巾器（６）で比較し
、その差が零になるようパルス位相制御が行われる。

即ちこのフィードバック制御によ郵、バックアップ出力
電圧（ｖｓ）は直交変換器（工ＮＶ）の入力電圧（ＶＤ
）　（＝電池出力電圧〕に等しくなるよう制御される。

前記一方の信号（Ｖｎｌ）は一定値（ＶＬ）を下回るこ
とがないようダイオード（Ｄりと定電圧源σθによるク
ランプ回路（７）が付加されており、このαＬ）は直流
系統に許される最低降下電圧例えば直交変換器（ＩＮＶ
）の入力変動許容下限値に相当する。

従ってダイオード（Ｄ２）のＯＮ電圧降下を無視すると
前記動作はＶＤＩ≧■Ｌのときのみ行われ、ｖＤｌ＜Ｖ
ｔ、Ｏトｔ！ｌｄ、タイオートの２）カＯＮシ（′ｖＤ
１）は一定電圧（Ｖ’Ｌ）を示すため、バックアップ出
力電圧も一定値にクランプされる。燃料電池（ＦＣ）が
定常状態例あるとき、バックアップ電源Ｈの出力電圧は
、第５図の燃料電池の供給電圧特性と同じ特性を示す。

このときダイオードｃＤ１）の両端は同電位になるため
（Ｄｌ）は導通せずバックアップは働かない。

一４燃料電池が過渡状態のとき、即ち １）軽負荷から重負荷への移行時 ＩＩ）重負荷から軽負荷への移行時 にわけて夫々説明する。

先づ、負荷電流がＣ１）からＣ２）に急増したとする。

（第５図参照）電池電圧（′ｖＤ２）はこれに応じて急
激に低下するが、基準電圧（ｖＤｌ）は遅れ要素により
すぐに低下しないでバックアップ出力電圧（′Ｖｓ）は
第６図の特性になる。従って、直交変換器σＮＶ）の入
力電圧（’７ｎ）はバックアップ出力電圧（′ｖＳ）よ
り低くなってダイオード（Ｄｌ）がＯＮシ、バックアッ
プ出力電圧が直流系統に印加されて商用電源からのバッ
クアップが行われる。

次に負荷電流が（工２）から（工１）に急減したとする
。この負荷低減に対して燃料電池αＣ）の水素供給量は
充分であるので、燃料電池の電圧は追従性がよく瞬時に
（Ｖ２）から６１）に上昇して定常状態にもどる。第５
図において、（Ｖｌ）　（Ｖｚ）は夫々負荷電流σ１）
　（Ｉ２）での定常供給電圧を表わす。

この負荷低減時バックアップ電源（１）の出力電圧ｃｇ
ｓ）は第２図のように推移する。（第２図の７１゜■２
は第５図のそれと同じものを示す）これは直交変換器σ
ＮＶ）の入力電圧（ｖｎ）のフィードバックに遅延回路
（Ｃ２、Ｒ）を設けているため、（ＶＤ）の増大に対し
て基準信号（ｖＤｌ）に追従するバックアップ出力電圧
（ｖｓ）の立上りが遅く、燃料電池の供給電圧（７１）
とバックアップ出力電圧（Ｖｓ）との差が大きくなる期
間が存在する。

この期間中に燃料電池αつの負荷が急増した場合Ｃ１→
工り電池電圧（Ｖ’ｎ）は急降下し、第２図において時
刻ｔ１後そのときのバックアップ出力電圧（′ｖ３）で
バックアップが行われる。従ってＶｎの急激）電圧降下
が直交変換器の入力電圧許容限度を逸脱したときその出
力電圧の不安定を招くおそれがある。

（ハ）発明の目的 本発明の目的は前記問題点に鑑み、燃料雷、池の負荷が
重負荷から軽負荷に変化した場合のバックアップ出力電
圧の追従性を改善したものである。

に）発明の構成 本発明は燃料電池の直流出力側にバックアップ電源の直
流出力を並列に接続し、前記電池電圧のフィードバック
信号が、電池の重負荷への移行時及び定常状態時には遅
延回路を介して、又電池の軽負荷への移行時前記遅延回
路と並列のダイオードを含む短絡回路を介して、夫々前
記バックアップ電圧のフィードバック信号と比較され、
前記バックアップ電圧を電池電圧に追従制御せしめるこ
とを特徴とするものである。

（ホ）実施例 本発明により改良された回路構成が第３図に示され、該
当部分は第１図と同一記号を付した。

第３図は、直交変換器（ＩＮＶ）の入力電圧検出器（６
）と誤差増巾器（６）との間に介在する遅延回路（Ｃ２
゜Ｒ）に並列に、ダイオード（Ｄｓ）を含む短絡回路（
８）を付加した点でのみ第１図の回路構成と異る。

以下第３図回路の動作について説明する。

１）燃料電池システムが定常状態にあるとき、第１図に
関連して説明したと同様、ダイオード■１）はその両端
のＮ１位が等しいためＯ’Ｐ１！’　ｌ、、（Ｖｎ）の
フィードバック信号電圧（ＶＤ２）は、遅延回路（Ｃ２
１”）を通り信号Ｖｎ１（Ｖｎ２）として、　σｓ）ノ
フイードバツク信号（７ｓ＋）と誤差増巾器（６）で比
較され、（ＶｉＱがαｒ）１）と一致するよう制御され
ている。

このときのバックアップ出力電圧（ｖｓ）は第５図の燃
料電池静特性（Ｖｙ）　仲Ｖｎ）と同一特性を示す。

ｌ）燃料電池が軽負荷から重負荷（例えば第５図の工１
から工２）へ急激に変化した場合、電池出力電圧（’Ｖ
ｙ）は負荷の増加に伴って急降下し、　Ｖｖ〈ｖｓのた
めダイオード（Ｄｌ）がＯＮし、バックアップが行われ
ることになる。この（Ｔ）１）のＯＮ状態では常に（Ｖ
ｓ）と（ＶＤ）の間にはダイオード順電圧降下分の電位
差（’％ｒｎ）が生じ、（Ｖｎ）は（Ｖｓ）より低くな
りｓ　Ｃ１ｖｔ）は（Ｖｎｌ）よりも小さい値になるた
め、短絡回路（８）のダイオードΦ３）は０ＮＫ７）ら
ず、従ッテｃｖｏｔ）ハ遅延回路（Ｒ，Ｃりを通シテ（
ｖＤｌ）に伝えられる。このとき遅延回路の入力電圧（
ＶＤ２）は前Ｍｅ　ｆｆｎ）による負のランプ入力状に
変化するから、（ｖＤｌ）は第６図と同じ曲線で降下し
、フィードバック量（Ｖｓｌ）が（′ｖＤ１）に等しく
力るよう位相制御回路（ｖｌ）が働くことにより、バッ
クアップ出力電圧（Ｖ＠）は第６図の曲線で降下する。

そしてｔ＝ｔ２　でダイオード（Ｄｌ）がＯＮ　ｌ、、
　（ＶＤｌ）としてクランプ回路（７）による一定電圧
信号σ１）が与えられるようになり、ｔ≧ｔ２において
（ＶｓＱがαＬ）になるよう位相制御され、Ｖ’５＝Ｖ
Ａ（一定）となって、燃料電池が復帰するのを待つ。こ
の動作は第１図回路の場合と実質的に変らない。

１１１）燃料電池が重負荷から軽負荷（例えば第５図の
工２から工１）へ移行した場合、電池の出力雷。

圧は前述のようにすぐ定常電圧（第５図においてｖｌ）
になる。従って（ＶＤ２）が急峻に上昇しくｖＤｌ）よ
りも高くなって、ダイオード（Ｄｓ）がＯＮとなる。

ここでｒＤ３）の順電圧降下を無視すると信号（ＶＤ２
）は遅れなしに短絡回路（８）を通して（ｖＤｌ）に伝
えらレル、（ｖＤｌ　＝Ｖｎｔ）　ｊツテｆｆ１）はす
ぐに（ｖＤｘ）になるよう位相制御がなされ、バックア
ップ電圧σＢ）は急峻な（′ｖＤ）の立上りにも追従で
き、この軽負荷への変動時の（Ｖｓ）特性は第４図のよ
うになる。第４図におけるｖｌと有は、夫々第２図にお
けるｖｌとＶ！に対応し、従来回路（第１図）のバック
アップ電圧σｓ）　（第２図参照）に比して立上り特性
（追従性）が著しく改善されている。

従っていまこの工２から工１への負荷変動時ｔ＝ｔ１で
電池負荷が急激に増加した場合、第２図の（Ｖｓ）特性
では直交変換器σＮＶ）の入力電圧は、バックアップが
行われるまでＫｕｓ付近まで急降下するに対し、第４図
の（ｖｓ）特性ではｔ＝ｔ２で負荷が増加しても電池の
供給電圧が降下し始めた直後にバックアップが行われる
ので、（ＶＤ）の急激な降下はなくゆっくりと降下して
いく。

遅延回路（ＲＣりの時定数を大きな値にするほど第６図
の降下曲線の降下度を緩慢にし直交変換器σＭＶ）の入
力電圧（ＶＤ）の変動率を下げることができるが、その
代り前記のように軽負荷への移行過程で重負荷となった
場合第２図における電圧降下ｖ１→ｖ３は大きくなる。

これに対し第４図のｆｆ５）特性では前記電圧降下を全
く考慮することなく第６図曲線の降下度を緩和しｆｆｐ
）の変動率を低減することが可能となる。

尚、従来回路（第１図）及び本発明回路（第３図）に夫
々対応するＶｓ　Ｉ￥ｊ性第２図及び第４図のｔ　＝　
ｏは負荷変動のあった時刻を基準にとっている。

（へ）発明の効果 本発明は燃料電池の直流出力を直交変換器により交流電
力に変換して負荷に給電する電源システきは遅延回路を
通る経路をとり、逆に軽負荷に変動するときは短絡ダイ
オードを通る経路をとり、この夫々の基準信号によって
バックアップ出力電圧を電池出力電圧に追従させるもの
であるから、ゆ 急激な負荷増大に対してもやるやかな降下速度でバック
アップが行われるは勿論、負荷減少過程における負荷増
大に対して適切なバックアップが行われ、負荷変動時の
直交変換器の入力電圧変動率を小さくすることができる
。

【図面の簡単な説明】

第１図は本出願人がさきに提案したバックアップ装置を
備える燃料電池電源システムの回路図、第２図は同上の
重負荷から軽負荷への移行時におけるバックアップ出力
電圧の立上り特性図、第３図は本発明により改良された
バックアップ装置を備える電源システムの回路図、第４
図は同上の重負荷から軽負荷への移行時におけるバック
アップ出力電圧の立上り特性図である。 第５図は燃料電池の出力静特性図、第６図はバックアッ
プ装置の動作特性図を示す。 ＰＣ・：燃料電池、工Ｎｖ：直交変換器、Ｌ：負荷１：
バックアップ電源、２：制御整流器、Ｃ＋、ｔ、：平滑
回路、３：位相制御器、４．５：を圧検出器、６：誤差
増巾器、７：クランプ回路、ＲＣ２：遅延回路、８：短
絡回路。 １０２ 「−ｍ− □□−」 −−−−」 ＼＼１要穿惰 の　−　Ｎ Ｎ　〉　〉　〉

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 燃料電池の直流電力を直交変換器により交流電力に変換
   して負荷に給電する電源システムであって、前記電池の
   直流出力側にバックアップ電源の直流出力を並列に接続
   し前記電池電圧のフィードバック信号が、電池の重負荷
   への移行時及び定常状態時には遅延回路を介して、又電
   池の軽負荷への移行時には前記遅延回路と並列のダイオ
   ードを含む短絡回路を介して夫々前記バックアップ出力
   電圧のフィードバック信号と比較され、前記バックアッ
   プ電圧を電池電圧に追従制御せしめることを特徴とする
   燃料電池電源システムのバックアップ装置。