(57)【要約】【課題】電力負荷の増減の影響が燃料電池へ直接的に伝わることを防止すると共に燃料電池に過度の負担を与えることなく電力負荷に電力を供給する。【解決手段】電力負荷Ｌと並列に接続される蓄電装置１と、燃料電池Ｆｓから入力される燃料電池電圧Ｖs0・燃料電池電流Ｉs0を蓄電装置１へ供給する供給電流Ｉc0に変換する定電流型のＤＣ−ＤＣコンバータ２と、燃料電池Ｆｓの立ち上がり特性を超える負担を燃料電池Ｆｓに与えないように蓄電電圧Ｖc0と燃料電池電圧Ｖs0・燃料電池電流Ｉs0とに基づいて供給電流Ｉc0を制御する供給電流制御装置３とを具備する。【効果】電力負荷Ｌの増減の影響が燃料電池Ｆｓへ直接的に伝わることを防止できる。燃料電池Ｆｓに過度の負担を与えることなく、電力負荷Ｌに電力を供給できる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電力負荷（Ｌ）と並列に接続される蓄電手段（１）と、燃料電池（Ｆｓ）から入力される燃料電池電圧Ｖs0・燃料電池電流Ｉs0を前記蓄電手段（１）へ供給する供給電流Ｉc0に変換する定電流型のＤＣ−ＤＣ変換手段（２）と、前記燃料電池（Ｆｓ）の立ち上がり特性を超える負担を前記燃料電池（Ｆｓ）に与えないように前記蓄電電圧Ｖc0と前記燃料電池電圧Ｖs0・燃料電池電流Ｉs0とに基づいて前記供給電流Ｉc0を制御する供給電流制御手段（３）とを具備したことを特徴とする燃料電池給電制御装置（１００）。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池給電制御装置（１００）において、前記供給電流制御手段（３）は、現在の燃料電池電流Ｉs0と燃料電池（Ｆｓ）の立ち上がり特性とから前記立ち上がり特性を超える負担を与えずに制御単位時間Δｔ後に到達可能な燃料電池電流Ｉs1を求め、前記Δｔ後に到達可能な燃料電池電流Ｉs1と燃料電池（Ｆｓ）のＩＶ特性とからΔｔ後に到達可能な燃料電池電圧Ｖs1を求め、現在の燃料電池電圧Ｖs0・燃料電池電流Ｉs0とΔｔ後に到達可能な燃料電池電圧Ｖs1・燃料電池電流Ｉs1とからΔｔ後までに増産可能な増産可能燃料電池電力量ΔＰｓを求め、蓄電電圧Ｖc0の現在までの推移からΔｔ後の蓄電電圧Ｖc1を予測し、蓄電手段（１）の容量と予測蓄電電圧Ｖc1からΔｔ後の予測残存蓄電電力量Ｐc1を求め、予測残存蓄電電力量Ｐc1に増産可能燃料電池電力量ΔＰｓを加えてΔｔ後に到達可能な到達可能蓄電電力量Ｐc2を求め、蓄電手段（１）の容量Ｃと到達可能蓄電電力量Ｐc2からΔｔ後に到達可能な到達可能蓄電電圧Ｖc2を求め、到達可能蓄電電圧Ｖc2と許容蓄電電圧最高値ＶcHの小さい方を仮目標蓄電電圧Ｖcmaxとし、仮目標蓄電電圧Ｖcmaxに重みα1を乗じて目標蓄電電圧Ｖc3を求め、燃料電池出力を０と仮定したときのΔｔ後の予測最低蓄電電圧Ｖc1minを予測し、目標蓄電電圧Ｖc3と予測最低蓄電電圧Ｖc1minと許容蓄電電圧最底値ＶcLのうちで最も大きいものを目標蓄電電圧Ｖc3とし、蓄電手段（１）の容量Ｃと目標蓄電電圧Ｖc3とから目標蓄電電力量Ｐc3を求め、予測残存蓄電電力量Ｐc1と目標蓄電電力量Ｐc3から増強すべき増強電力ΔＷｃを求め、蓄積電圧Ｖc0と供給電流Ｉo0から現在供給電力Ｗd0を求め、現在供給電力Ｗd0と増強電力ΔＷｃと目標蓄電電圧Ｖc3から目標供給電流Ｉo3を求め、目標供給電流Ｉo3を前記ＤＣ−ＤＣ変換手段（２）へ指令することを特徴とする燃料電池給電制御装置（１００）。
【請求項３】
請求項２に記載の燃料電池給電制御装置（１００）において、前記供給電流制御手段（３）は、予測蓄電電圧Ｖc1と重み付け関数（α）から重みα1を求めることを特徴とする燃料電池給電制御装置（１００）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池給電制御装置に関し、さらに詳しくは、電力負荷の増減の影響が燃料電池へ直接的に伝わることを防止すると共に燃料電池に過度の負担を与えることなく電力負荷に電力を供給可能とする燃料電池給電制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、燃料電池とキャパシタと電力負荷とを並列に接続した「燃料電池電源装置」が知られている（例えば、特許文献１，２参照。）。
【特許文献１】特開２００２−３０５０１１号公報
【特許文献２】特開２００３−８６２１１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
上記従来の「燃料電池電源装置」では、燃料電池とキャパシタと電力負荷とを直接的に並列接続しているため、電力負荷の増減の影響が、ある程度はキャパシタで緩和されるものの、燃料電池に直接的に伝わってしまい、燃料電池の保護が十分でない問題点がある。
そこで、本発明の目的は、電力負荷の増減の影響が燃料電池へ直接的に伝わることを防止すると共に燃料電池に過度の負担を与えることなく電力負荷に電力を供給可能にする燃料電池給電制御装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
第１の観点では、本発明は、電力負荷（Ｌ）と並列に接続される蓄電手段（１）と、燃料電池（Ｆｓ）から入力される燃料電池電圧Ｖs0・燃料電池電流Ｉs0を前記蓄電手段（１）へ供給する供給電流Ｉc0に変換する定電流型のＤＣ−ＤＣ変換手段（２）と、前記燃料電池（Ｆｓ）の立ち上がり特性を超える負担を前記燃料電池（Ｆｓ）に与えないように前記蓄電電圧Ｖc0と前記燃料電池電圧Ｖs0・燃料電池電流Ｉs0とに基づいて前記供給電流Ｉc0を制御する供給電流制御手段（３）とを具備したことを特徴とする燃料電池給電制御装置（１００）を提供する。
上記第１の観点による燃料電池給電制御装置（１００）は、蓄電手段（１）と燃料電池（Ｆｓ）の間に介在するため、電力負荷（Ｌ）の増減の影響が燃料電池（Ｆｓ）に直接的に伝わることを防止できる。また、蓄電電圧Ｖc0と燃料電池電圧Ｖs0および燃料電池電流Ｉs0とに基づいて供給電流Ｉc0を制御することにより、燃料電池（Ｆｓ）の立ち上がり特性を超える負担を燃料電池（Ｆｓ）に与えずに、電力負荷（Ｌ）に電力を供給することが出来る。
【０００５】
第２の観点では、本発明は、上記構成の燃料電池給電制御装置（１００）において、前記供給電流制御手段（３）は、現在の燃料電池電流Ｉs0と燃料電池（Ｆｓ）の立ち上がり特性とから前記立ち上がり特性を超える負担を与えずに制御単位時間Δｔ後に到達可能な燃料電池電流Ｉs1を求め、前記Δｔ後に到達可能な燃料電池電流Ｉs1と燃料電池（Ｆｓ）のＩＶ特性とからΔｔ後に到達可能な燃料電池電圧Ｖs1を求め、現在の燃料電池電圧Ｖs0・燃料電池電流Ｉs0とΔｔ後に到達可能な燃料電池電圧Ｖs1・燃料電池電流Ｉs1とからΔｔ後までに増産可能な増産可能燃料電池電力量ΔＰｓを求め、蓄電電圧Ｖc0の現在までの推移からΔｔ後の蓄電電圧Ｖc1を予測し、蓄電手段（１）の容量と予測蓄電電圧Ｖc1からΔｔ後の予測残存蓄電電力量Ｐc1を求め、予測残存蓄電電力量Ｐc1に増産可能燃料電池電力量ΔＰｓを加えてΔｔ後に到達可能な到達可能蓄電電力量Ｐc2を求め、蓄電手段（１）の容量Ｃと到達可能蓄電電力量Ｐc2からΔｔ後に到達可能な到達可能蓄電電圧Ｖc2を求め、到達可能蓄電電圧Ｖc2と許容蓄電電圧最高値ＶcHの小さい方を仮目標蓄電電圧Ｖcmaxとし、仮目標蓄電電圧Ｖcmaxに重みα1を乗じて目標蓄電電圧Ｖc3を求め、燃料電池出力を０と仮定したときのΔｔ後の予測最低蓄電電圧Ｖc1minを予測し、目標蓄電電圧Ｖc3と予測最低蓄電電圧Ｖc1minと許容蓄電電圧最底値ＶcLのうちで最も大きいものを目標蓄電電圧Ｖc3とし、蓄電手段（１）の容量Ｃと目標蓄電電圧Ｖc3とから目標蓄電電力量Ｐc3を求め、予測残存蓄電電力量Ｐc1と目標蓄電電力量Ｐc3から増強すべき増強電力ΔＷｃを求め、蓄積電圧Ｖc0と供給電流Ｉo0から現在供給電力Ｗd0を求め、現在供給電力Ｗd0と増強電力ΔＷｃと目標蓄電電圧Ｖc3から目標供給電流Ｉo3を求め、目標供給電流Ｉo3を前記ＤＣ−ＤＣ変換手段（２）へ指令することを特徴とする燃料電池給電制御装置（１００）を提供する。
上記第２の観点による燃料電池給電制御装置（１００）では、燃料電池（Ｆｓ）の立ち上がり特性を超える負担を与えずにΔｔ（例えば１０［ｍｓ］〜１［ｓ］）後に到達可能な燃料電池電流Ｉs1をまず求め、それを基にしてＤＣ−ＤＣ変換手段（２）へ指令する目標供給電流Ｉo3を求めるので、立ち上がり特性を超える負担を燃料電池（Ｆｓ）に与えない。また、燃料電池（Ｆｓ）の立ち上がり特性を超える負担を与えずにΔｔ後に到達可能な燃料電池電流Ｉs1から到達可能蓄電電圧Ｖc2を求め、その到達可能蓄電電圧Ｖc2と許容蓄電電圧最高値ＶcHの小さい方を仮目標蓄電電圧Ｖcmaxとし、それを基にしてＤＣ−ＤＣ変換手段（２）へ指令する目標供給電流Ｉo3を求めるので、蓄電電圧が許容蓄電電圧最高値ＶcHを超えないようにすることが出来る。
なお、重みα1＝０〜１とする。α１＝１としてもよい。
【０００６】
第３の観点では、本発明は、上記構成の燃料電池給電制御装置（１００）において、前記供給電流制御手段（３）は、予測蓄電電圧Ｖc1と重み付け関数（α）から重みα1を求めることを特徴とする燃料電池給電制御装置（１００）を提供する。
上記第３の観点による燃料電池給電制御装置（１００）では、重み付け関数（α）を導入することにより、燃料電池の特性や電力負荷の特性に応じた調整が容易に可能になる。
【発明の効果】
【０００７】
本発明の燃料電池給電制御装置（１００）によれば、電力負荷（Ｌ）の増減の影響が燃料電池（Ｆｓ）へ直接的に伝わることを防止できる。また、燃料電池（Ｆｓ）に過度の負担を与えることなく、電力負荷（Ｌ）に電力を供給できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下、図に示す実施例により本発明をさらに詳細に説明する。なお、これにより本発明が限定されるものではない。
【実施例１】
【０００９】
図１は、実施例１に係る燃料電池給電制御装置１００を示すブロック図である。
この燃料電池給電制御装置１００は、電力負荷Ｌと並列に接続される蓄電装置１（例えば電気二重層キャパシタ）と、燃料電池Ｆｓから入力される燃料電池電圧Ｖs0・燃料電池電流Ｉs0を蓄電装置１へ供給する供給電流Ｉc0に変換する定電流型のＤＣ−ＤＣコンバータ２と、燃料電池Ｆｓの立ち上がり特性を超える負担を燃料電池Ｆｓに与えないように蓄電電圧Ｖc0と燃料電池電圧Ｖs0・燃料電池電流Ｉs0とに基づいて供給電流Ｉc0を制御する供給電流制御装置３とを具備している。
【００１０】
供給電流制御装置３は、電力指令ΔＷｃを燃料電池制御系Ｆｃへ送る。
燃料電池制御系Ｆｃは、電力指令ΔＷｃに基づいて燃料電池Ｆｓへの燃料・酸化剤の供給量をコントロールする。
【００１１】
図２は、供給電流制御装置３による供給電流制御処理を示すフロー図である。
ステップＳ１では、現在の燃料電池電流Ｉs0と燃料電池電圧Ｖs0とを読み取る。
【００１２】
ステップＳ２では、燃料電池電流Ｉs0と燃料電池Ｆｓの立ち上がり特性とから、立ち上がり特性を超える負担を与えずに単位制御時間Δｔ後に到達可能な燃料電池電流Ｉs1を求める。
図４に、燃料電池Ｆｓの立ち上がり特性Ｒを例示する。
この立ち上がり特性は、「０」から定格燃料電池電流まで立ち上げるのにτ時間以上かける必要があることを表している。定格燃料電池電流は、例えば
なお、燃料電池Ｆｓの立ち上がり特性Ｒは、燃料電池Ｆｓの仕様として与えられる。
図５に示すように、燃料電池電流Ｉs0と立ち上がり特性Ｒと制御単位時間Δｔとから燃料電池電流Ｉs1を求める。この燃料電池電流Ｉs1なら、燃料電池Ｆｓに立ち上がり特性を超える負担を与えない。
【００１３】
ステップＳ３では、Δｔ後に到達可能な燃料電池電流Ｉs1と燃料電池ＦｓのＩＶ特性とからΔｔ後に到達可能な燃料電池電圧Ｖs1を求める。
図６に、燃料電池ＦｓのＩＶ特性Ｍを例示する。
燃料電池ＦｓのＩＶ特性は、燃料電池Ｆｓの仕様として与えられる。
図７に示すように、燃料電池電流Ｉs1とＩＶ特性Ｍから燃料電池電圧Ｖs1を求める。
【００１４】
ステップＳ４では、現在の燃料電池電圧Ｖs0・燃料電池電流Ｉs0とΔｔ後に到達可能な燃料電池電圧Ｖs1・燃料電池電流Ｉs1とからΔｔ後までに増産可能な増産可能燃料電池電力量ΔＰｓを求める。
ΔＰｓ＝（Ｖs1・Ｉs1−Ｖs0・Ｉs0）×Δｔ
【００１５】
ステップＳ５では、蓄電電圧Ｖc0の現在までの推移からΔｔ後の蓄電電圧Ｖc1を予測する。
図８に、蓄電電圧Ｖc0の現在までの推移（黒丸）と、現在からΔｔ後の予測蓄電電圧Ｖc1（白丸）を例示する。
【００１６】
ステップＳ６では、蓄電装置１の容量Ｃと予測蓄電電圧Ｖc1からΔｔ後の予測残存蓄電電力量Ｐc1を求める。
Ｐc1＝（１／２）Ｃ・Ｖc1２
【００１７】
ステップＳ７では、予測残存蓄電電力量Ｐc1に増産可能燃料電池電力量ΔＰｓを加えてΔｔ後に到達可能な到達可能蓄電電力量Ｐc2を求める。
Ｐc2＝Ｐc1＋ΔＰｓ
【００１８】
ステップＳ８では、蓄電装置１の容量Ｃと到達可能蓄電電力量Ｐc2からΔｔ後に到達可能な到達可能蓄電電圧Ｖc2を求める。
Ｖc2＝√{２・Ｐc2／Ｃ}
【００１９】
ステップＳ９では、到達可能蓄電電圧Ｖc2と許容蓄電電圧最高値ＶcHの小さい方を仮目標蓄電電圧Ｖcmaxとする。
図９に示すように、Ｖc2≧ＶcHなら、Ｖcmax＝ＶcHとする。
図１０に示すように、Ｖc2＜ＶcHなら、Ｖcmax＝Ｖc2とする。
【００２０】
ステップＳ１０では、予測蓄電電圧Ｖc1と重み付け関数αから重みα1を求める。
図１１に、重み付け関数αを例示する。
重み付け関数αは、燃料電池Ｆｓの特性や電力負荷Ｌの特性を考慮して経験的に定める。
図１２に示すように、予測蓄電電圧Ｖc1と重み付け関数αから重みα1を求める。
【００２１】
ステップＳ１１では、仮目標蓄電電圧Ｖcmaxに重みα1を乗じて目標蓄電電圧Ｖc3を求める。
Ｖc3＝Ｖcmax×α１
図１３に、目標蓄電電圧Ｖc3を例示する。
【００２２】
ステップＳ１２では、燃料電池出力が０になったと仮定してΔｔ後の蓄電装置１の電圧を予測し、これを予測最低蓄電電圧Ｖc1minとする。予測最低蓄電電圧Ｖc1minは次の手順により算出できる。
（１）現在の供給電流Ｉc0がΔｔ続いた場合に蓄電電圧Ｖc0から予測蓄電電圧Ｖc1へ直線的に変化するとして、この間にＤＣ−ＤＣコンバータ２から出力される電力量Ｐｄは、
Ｐｄ＝(１／２)×Ｉo0×(Ｖc0−Ｖc1)×Δｔ
（２）供給電流Ｉc0が続いた場合に予測蓄電電圧Ｖc1になるところ、燃料電池出力が０なら、電力量Ｐｄが蓄電装置１から持ち出され、予測最低蓄電電圧Ｖc1minになるので、
Ｐｄ＝(１／２)×Ｃ×｛(Ｖc1)×(Ｖc1)−(Ｖc1min)×(Ｖc1min)｝
となる。これを解けば、予測最低蓄電電圧Ｖc1minが求まる。
【００２３】
ステップＳ１３では、目標蓄電電圧Ｖc3と予測最低蓄電電圧Ｖc1minと許容蓄電電圧最底値ＶcLのうちで最も大きいものを目標蓄電電圧Ｖc3とする。
そして、図３のステップＳ１４へ進む。
【００２４】
図３のステップＳ１４では、蓄電装置１の容量Ｃと目標蓄電電圧Ｖc3とから目標蓄電電力量Ｐc3を求める。
Ｐc3＝（１／２）Ｃ・Ｖc3２
【００２５】
ステップＳ１５では、予測残存蓄電電力量Ｐc1と目標蓄電電力量Ｐc3から増強すべき増強電力ΔＷｃを求める。なお、次式のΔｔの単位を［ｓ］とする。
ΔＷｃ＝（Ｐc3−Ｐc1）×３６００／Δｔ
【００２６】
ステップＳ１６では、ＤＣ−ＤＣコンバータ２の出力電圧≒蓄電電圧Ｖc0と供給電流Ｉo0から現在供給電力Ｗd0を求める。
Ｗd0＝Ｖc0×Ｉo0
【００２７】
ステップＳ１７では、現在供給電力Ｐd0と増強電力ΔＷｃと目標蓄電電圧Ｖc3から目標供給電流Ｉo3を求める。
Ｉo3＝（Ｗd0＋ΔＷｃ）／Ｖc3
【００２８】
ステップＳ１８では、目標供給電流Ｉo3をＤＣ−ＤＣコンバータ２へ指令する。
ステップＳ１９では、増強電力ΔＷｃを電力指令として燃料電池制御系Ｆｃへ出力する。そして、図２のステップＳ１に戻る。
【００２９】
次に、数値例を示す。
予測蓄電電圧Ｖc1＝３９［Ｖ］、Ｃ＝５０［Ｆ］とすると、予測残存蓄電電力量Ｐc1は３８０００［Ｊ］となる。
Δｔ＝１［ｓ］、増産可能燃料電池電力量ΔＰｓ＝４０００［Ｊ］とすると、到達可能蓄電電力量Ｐc2＝４２０００［Ｊ］となり、到達可能蓄電電圧Ｖc2＝４１［Ｖ］となる。
Ｖc2＜ＶcHなら、仮目標蓄電電圧Ｖcmax＝Ｖc2＝４１［Ｖ］となり、重みα１＝０.９８なら、目標蓄電電圧Ｖc3＝４０［Ｖ］となる。そこで、目標蓄電電力量ΔＰc3＝４００００［Ｊ］となり、増強電力ΔＷｃ＝１.９７５［ｋＷ］となる。
供給電流Ｉc0＝１０［Ａ］とすると、現在供給電力Ｗd0は３９０［Ｗ］となる。
そこで、目標供給電流Ｉc3＝３９.７［Ａ］となり、これをＤＣ−ＤＣコンバータ２へ指令する。また、増強電力ΔＷc＝１.９７５［ｋＷ］を電力指令として燃料電池制御系Ｆｃへ出力する。
【００３０】
なお、ＤＣ−ＤＣコンバータ２が目標供給電流Ｉc3を直ちに供給しても、蓄電電圧Ｖc0は目標蓄電電圧Ｖc3へと徐々に向かう。このため、Δｔ後に目標蓄電電圧Ｖc3に実際には達しないが、実用上支障はない。
【００３１】
実施例１の燃料電池給電制御装置１００によれば、燃料電池Ｆｓと蓄電装置１の間にＤＣ−ＤＣコンバータ２が介在するため、電力負荷Ｌの増減の影響が燃料電池Ｆｓへ直接的に伝わることを防止できる。また、燃料電池Ｆｓの立ち上がり特性を超える負担をかけないようにＤＣ−ＤＣコンバータ２へ目標供給電流Ｉc3を指令し且つ増強電力ΔＷcを燃料電池制御系Ｆｃへ出力するから、燃料電池Ｆｓに過度の負担を与えることなく、電力負荷Ｌに電力を供給できる。
【産業上の利用可能性】
【００３２】
本発明の燃料電池給電制御装置は、高融点のプラスチックペレットを製造するのに好適である。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】実施例１に係る燃料電池給電制御装置を示すブロック図である。
【図２】実施例１に係る供給電流制御処理を示すフロー図である。
【図３】図２の続きのフロー図である。
【図４】燃料電池の立ち上がり特性を示す例示図である。
【図５】燃料電池の立ち上がり特性を超えないでΔｔ後に到達可能な燃料電池電流Ｉs1を求める方法の説明図である。
【図６】燃料電池のＩＶ特性を示す例示図である。
【図７】燃料電池の立ち上がり特性を超えないでΔｔ後に到達可能な燃料電池電流Ｉs1に対応する燃料電池電圧Ｖs1を求める方法の説明図である。
【図８】蓄電電圧Ｖc0の推移と予測蓄電電圧Ｖc1を示す例示図である。
【図９】到達可能蓄電電圧Ｖc2が許容蓄電電圧最高値ＶcHより高い場合を示す説明図である。
【図１０】到達可能蓄電電圧Ｖc2が許容蓄電電圧最高値ＶcHより低い場合を示す説明図である。
【図１１】重み付け関数の例示図である。
【図１２】重みの求め方を示す説明図である。
【図１３】目標蓄電電圧Ｖc3を示す例示図である。
【符号の説明】
【００３４】
１          蓄電装置
２          ＤＣ−ＤＣコンバータ
３          供給電流制御装置
１００      燃料電池給電制御装置
Ｆｓ        燃料電池
Ｆｃ        燃料電池制御系
Ｌ          電力負荷
【図１】
2005317222.tif 000003
【図２】
2005317222.tif 000004
【図３】
2005317222.tif 000005
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2005317222.tif 000009
【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
2005317222.tif 000013
【図１２】
2005317222.tif 000014
【図１３】
2005317222.tif 000015