(57)【要約】【課題】電源装置を定期的に運転することで燃料電池の電解質膜の乾燥を防止し、蓄電池のサルフェーションや自己放電による寿命短縮を防止し、電源装置を長期間正常に作動するようメンテナンスされた電源装置を提供する。【解決手段】燃料電池と、蓄電とからなる電源装置であって、該電源装置は、該電源装置の運転状態を管理する制御部と、前記蓄電池の充電状態を検出する計測部とを有し、前記制御部は燃料電池を所定の間隔で運転を開始し、該燃料電池の運転で発電される電力で前記蓄電池を充電し、前記計測部が、蓄電池が満充電状態に達したと判断した時点で燃料電池の運転を停止する電源装置。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
発電した電力を負荷に出力する燃料電池と、前記燃料電池の余剰電力を蓄電し、かつ前記燃料電池の出力不足のときに蓄電した電力を負荷に出力する蓄電池とからなる電源装置であって、該電源装置は、該電源装置の運転状態を管理する制御部と、前記蓄電池の充電状態を検出する計測部とを有し、前記制御部は燃料電池を所定の間隔で運転を開始し、該燃料電池の運転で発電される電力で前記蓄電池を充電し、前記計測部が、蓄電池が満充電状態に達したと判断した時点で燃料電池の運転を停止する電源装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発電した電力を外部に出力する燃料電池と、前記燃料電池の余剰電力を蓄電し且つ前記燃料電池の出力不足のときに蓄電した電力を外部に出力するための蓄電池とで構成されている電源装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
例えば、水素と酸素との電気化学反応を利用して発電する燃料電池は単位時間当たりの出力調節可能量が比較的小さく、かつ、頻繁な出力調整が困難であるため、このような燃料電池を利用した電源装置では、外部電力負荷に対して燃料電池の出力電力が余るときに、その余剰分を蓄電池に蓄え、一方、外部電力負荷に対して燃料電池の発電電力が不足するときは、蓄電池に蓄えている電力を出力するように構成されている。
【０００３】
このような燃料電池と蓄電池との組み合わせによる電源装置においては、燃料電池の余剰電力を蓄電池に蓄電する構成としているが、蓄電池による蓄電可能な容量には限りがあるため余剰電力を蓄電池に蓄電させるようにしても、蓄電池が満充電状態になっているとそれ以上蓄電させることができない。このような場合には、その余剰電力を電力消費手段にて消費させるようにしている。そして、このような構成の電源装置において、従来では、燃料電池の発電電力が外部電力負荷の負荷電力より大である場合において、蓄電池が満充電状態でなく充電可能な状態であることが検出されていれば余剰電力を蓄電池に充電させるが、満充電状態でありこれ以上充電ができない状態であれば、蓄電池にそれ以上充電が行われないように、燃料電池の余剰電力を別に設けた電力消費手段にて消費させる構成となっていた。つまり、このとき、蓄電池は充電動作も放電動作もいずれも行われない状態としている。
【０００４】
このような電源装置において、電源装置を例えば非常用電源や工事用機器の電源等の移動電源として設置した場合には長期間不使用の状態に置かれることがあり、その間に燃料電池や蓄電池が劣化し、いざと言う時に電源装置が正常に作動しないことがある。そのため、かかる蓄電池の劣化を防止し、蓄電池の長寿命化を図った提案が例えば特許文献１、２に開示されている。しかし、これらの文献に開示されている技術はいずれも蓄電池に対する対策であり、燃料電池に対する劣化対策については開示されていない。
【０００５】
【特許文献１】特開２００３−０３２９０６号公報
【特許文献２】特開２００３−１１１２９１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上述したように、電源装置は商用電源の予備装置（非常用電源）として設置されていることが多く、一度作動した後そのまま放置されることがある。長時間燃料電池を放置すると電解質膜が乾燥し、燃料電池の寿命を短縮する可能性がある。また、蓄電池は放置されることでサルフェ−ションによる劣化・短寿命化や自己放電による容量低下を起こす可能性がある、等の課題を有している。
本発明はかかる電源装置の課題を解決することを目的とし、燃料電池と蓄電池との組み合わせによる電源装置において、燃料電池の電解質膜の乾燥を防止し、蓄電池のサルフェ−ションによる劣化・短寿命化や自己放電による容量低下から回復を図り、電源装置が長期間正常に作動するようメンテナンスされた電源装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の電源装置は、発電した電力を負荷に出力する燃料電池と、前記燃料電池の余剰電力を蓄電し、かつ前記燃料電池の出力不足のときに蓄電した電力を負荷に出力する蓄電池とからなる電源装置であって、該電源装置は、該電源装置の運転状態を管理する制御部と、前記蓄電池の充電状態を検出する計測部と、を有し、前記制御部は燃料電池を所定の間隔で運転を開始し、該燃料電池の運転で発電される電力で前記蓄電池を充電し、前記計測部が、蓄電池が満充電状態に達したと判断した時点で燃料電池の運転を停止する、ことを特徴とする。
本発明によれば、電源装置の運転状態を管理する制御部が燃料電池を所定の間隔で運転する。燃料電池の運転により発電される電力で蓄電池を充電する。計測部は蓄電池が満充電状態に達したと判断した時点で燃料電池の運転を停止し、次回のメンテナンス時期をセットする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明は、電源装置を定期的に運転することで燃料電池の電解質膜の乾燥を防止し、蓄電池のサルフェーションや劣化・短寿命化や自己放電による容量低下から回復を図り、電源装置を長期間正常に作動するようメンテナンスされた電源装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
燃料電池と蓄電池との組み合わせによる電源装置において、該電源装置を運転しない状態が長期間続くと蓄電池が早期に寿命を向かえることがある。したがって、定期的に電源装置を点検しメンテナンスを行なう必要がある。しかし、メンテナンスが忘れられると非常時に運転を開始しても正常に運転できないことがある。
本発明は、かかる電源装置においてメンテナンスを自動的に行ない、電源装置を常に正常に運転可能な状態に維持されている電源装置である。以下、図面を参照して本発明を詳細に説明する。
【００１０】
図１は本発明電源装置の回路図である。電源装置１００は燃料電池１０、ＤＣ／ＤＣコンバータ９、電流計測器（ＣＴ）６、インバータ１２、蓄電池５、充電器１、システム起動部２１、電源装置を制御する制御部１４、電源装置の電流等を計測する計測部１５、燃料電池１０を運転する補器類１３等で構成されている。なお、システム起動部２１は起動スイッチ１８、自動運転スイッチ１９、タイマー２０からなっている。
電源装置はシステム起動部２１から制御部１４へ起動命令が出されて起動を開始する。起動命令は起動スイッチ１８を操作し、或いは自動スイッチ１９又はタイマー２０が作動することで発令される。
【００１１】
起動命令を受け取ると制御部１４は補器類１３を起動させて燃料電池１０に後述するように燃料ガスと酸化剤ガスを供給して燃料電池１０の運転を開始する。燃料電池１０の運転が開始されると、燃料電池１０で発電された電力はＤＣ／ＤＣコンバータ９とインバータ１６を通じて負荷１７へ供給される。また、燃料電池の出力が負荷１７に対して充分な場合には充電器１を介して蓄電池５へ電力が供給され、蓄電池５を充電する。なお、充電中に蓄電池５が満充電になった場合、充電器１は充電方式を普通充電からトリクル充電に切り替え、蓄電池５の過充電を防止する。一方、燃料電池１０の出力が不足した場合には、後述するように蓄電池５からも負荷１７へ電力供給を行なう。
燃料電池１０の出力電圧、電流と蓄電池の充放電電圧、電流は計測部１５で測定され、測定結果は制御部１４に送られ、補器類１３の制御、蓄電池５の充放電制御に供される。
【００１２】
図２は燃料電池１０のガス配管図である。燃料電池１０の電池本体０には制御部１４からの起動指令で水素ガス３５と空気３６が供給され、発電を開始し、以後継続する。図２において、水素ガス３５は水素ボンベ３０から圧力センサ３１、圧力レギュレータ３３、遮断弁３４を通して電池本体０に供給され、電磁弁３７で密閉されている。電磁弁３７は定期的に開き、滞留した水分を排出する。また、空気３６はブロア４０、圧力センサ３２を通して加圧されて電池本体０に供給される。空気の排ガスは、流量制御バルブ３８によって流量が制御されて排出される。図２に示すように燃料電池１０の空気は制御部１４により、ブロア４０や圧力レギュレータ３７がそれぞれ規定された条件で制御され、適量が電池本体０に供給され、発電が継続される。
【００１３】
上述した電源装置は商用電源の停電時や工事現場での移動電源として使用する場合の通常運転により負荷１７に電力を供給するプロセスは、起動スイッチ１８から制御部１４へシステム起動命令を出す。起動命令を受けると制御部１４はスイッチ１１を入れ、蓄電池５から補器類１３へ電力を供給し補器類１３を起動する。起動した補器類１３により燃料電池１０の電池本体０に水素ガス３５と空気（酸素）３６が送られ燃焼が開始され発電が開始される。燃料電池１０で発電が開始されるとスイッチ７が入り、発電される電力はＤＣ／ＤＣコンバータ９、インバータ１２を通じて負荷１７へ供給される。燃料電池１０の発電量が負荷１７に対して十分になり、余剰電力が発生すると、スイッチ３がｂからａに切り替えられ、蓄電池５の充電を開始する。
蓄電池５が満充電となった場合は、充電器１は蓄電池の充電方式をトリクル充電に切り替え蓄電池の過充電を防止する。なお、燃料電池の電力供給量が負荷１７に対して不足する場合はスイッチ３をｂに切り替え、蓄電池５の電力を負荷１７に供給する。
【００１４】
燃料電池１０の出力電圧と蓄電池５の充放電電圧、および各電池の温度はそれぞれ計測されて計測部１５に送られる。また、図１に示すように、燃料電池１０の出力電流と蓄電池５の充放電電流はＣＴ４とＣＴ６で測定されて計測部１５に送られる。これらのデータは補器類１３の制御にフィードバックされる。例えば、計測部１５の情報で燃料電池１０の出力電流が小さいと制御部１４が判断すると、ブロア４０と流量制御バルブ３８を制御して空気３６の流量と圧力を下げる。一方、燃料電池１０の出力電流が大きいと制御部１４が判断すると、ブロア４０と流量制御バルブ３８を制御して空気３６の流量と圧力を上げる。燃料電池に送る空気の流量をこのように制御するのは、燃料電池内部の乾燥を防ぐためである。即ち、出力電流が小さい場合には空気極で生成される水が少ないにも係わらず空気量が多いと、空気により水分が多量に本体０の外に持ち去られ乾燥状態を作り出してしまうためである。反対に出力電流が大きいときに空気流量が不足すると、濃度分極の増大や電池本体０内で生成される多量の水分のうち、余分な水分を排出できなくなり、電圧が低下する。
【００１５】
なお、電源装置１００の残容量を監視し、残容量が不足した場合には警報を発し、電源装置を緊急停止するように、システムを構築しておくことが好ましい。
緊急停止を必要とする場合としては、図２に示すように水素ボンベ３０の圧力を測定する圧力センサ３１の測定値が燃料電池１０の発電を維持できなくなる圧力にまで低下したとき、等である。なお、制御弁３４は非使用時や緊急停止時には閉じて水素ガスの漏れを防止する遮断弁としての機能も付与している。
【００１６】
図２に示す冷却ファン３９は燃料電池本体０の表面温度の計測値によりファンがＯＮ／ＯＦＦされ、電池本体０の表面温度を最適値に保持するために設けられている。
本発明の電源装置１００は、待機時や不使用時に自動運転することができる。
電源装置を非常用電源等として設置する場合には不使用の期間が長くなる可能性がある。電源装置を長期間使用しないと上述したように燃料電池においては電解質膜が乾燥し、その寿命を短縮する可能性があり、蓄電池においてはサルフェ−ションによる劣化・短寿命化や自己放電による容量低下を起こす可能性がある。このため、定期的に電源装置を点検し、メンテナンスを行なう必要があるが、メンテナンスが忘れられると非常時に運転を開始しても正常に運転できないことがある。
【００１７】
本発明は電源装置１００を必要とするときに正常運転が可能で、かつ、自動運転システムを有することでメンテナンスを忘れることなく自動的に作動する。以下、その作動順序を図３に示すフローチャートに基づき説明する。
ステップ１（ＳＰ１）
システム起動部２１の自動運転スイッチ１９を操作し電源装置の運転を開始する。例えば非常用電源として使用した後に自動的に自動運転スイッチ１９が入る様にしても良いし、移動電源として工事用として用いた場合に手動で該スイッチ１９をＯＮしても良い。
ステップ２（ＳＰ２）
自動運転スイッチ１９が入ると蓄電池５からの電力でスイッチ１１が閉じ、補器類１３は燃料電池１０を起動させる。
【００１８】
ステップ３（ＳＰ３）
燃料電池１０が起動し、発電を開始する。
ステップ４（ＳＰ４）
燃料電池１０の発電電力を蓄電池５に供給し、蓄電池５を充電する。
ステップ５（ＳＰ５）
蓄電池５が満充電になったか否かを計測し判断する。電流はＣＴ４により計測され、電圧は計測部１５内の電圧計により計測される。その結果は計測部１５から制御部１４に送られ、送られたデータで制御部１４が満充電になったか否か判断する。
ステップ６（ＳＰ６）
蓄電池５が満充電状態になったと判断されたときはシステムを停止する。即ち、燃料電池の発電が停止する。
【００１９】
ステップ７（ＳＰ７）
システムを停止したならばタイマー２０を次回のメンテナンス時期にセットする。より具体的には、予め所定の時間にセットされたタイマー動作する。その電源は、例えば蓄電池から供給する。
メンテナンスの間隔は蓄電池の種類によりその間隔が設定される。
蓄電池５に鉛蓄電池が使用されている場合には、鉛蓄電池は自己放電等により１ヶ月に２〜３％の蓄電容量が失われるので、蓄電容量を９０％程度で維持するためには３〜５ヶ月の間隔で電源装置を運転する必要がある。そのため、次回の運転開始を例えば３ヶ月後に設定する。
蓄電池５にニッケル水素電池が使用されている場合には、鉛蓄電池のようにサルフェ−ションは発生しないが、自己放電等により１ヶ月に１５％程度の蓄電容量が失われるので、蓄電容量を９０％程度で維持するためには２０日前後の間隔で電源装置を運転する必要がある。そのため、次回の運転開始を例えば２０日後に設定する。
蓄電池５にリチウムイオン電池が使用されている場合には、自己放電等により１ヶ月に５〜１０％の蓄電容量が失われるので、蓄電容量を９０％程度で維持するためには１〜２ヶ月の間隔で電源装置を運転する必要がある。そのため、次回の運転開始を例えば１．５ヶ月後に設定する。
【００２０】
ステップ８（ＳＰ８）
次回のメンテナンス時点になるとタイマー２０からの信号によりシステムが起動する。
ステップ９（ＳＰ９）
システムが起動すると蓄電池５からの電力でスイッチ１１が閉じ、補器類１３は燃料電池１０の起動を開始する。
ステップ１０（ＳＰ１０）
燃料電池１０が起動し、発電を開始する
ステップ１１（ＳＰ１１）
燃料電池１０の発電電力を蓄電池５に供給し、蓄電池５を充電する。
ステップ１２（ＳＰ１２）
蓄電池５が満充電になったか否かを計測し判断する。電流はＣＴ４により計測され、電圧は計測部１５内の電圧計により計測される。その結果は計測部１５から制御部１４に送られ、送られたデータで制御部１４が満充電になったか否か判断する。
【００２１】
ステップ１３（ＳＰ１３）
蓄電池５が満充電状態になったと判断されたときはシステムを停止する。システムを停止したならばタイマー２０を次回のメンテナンス時期にセットする。即ちステップ８に戻り、タイマーはリセットされ次ぎにタイマーからの信号が発信されるまで待機する。
次回のメンテナンス時点になるとタイマー２０により、再度信号が発信され、以後、ステップ１２〜１７が繰り返えされて電源装置１００のメンテナンスが自動的に繰り返され、電源装置を常に正常運転可能に維持することができる。
【００２２】
本発明は上述したように、電源装置１００を所定の間隔で自動運転することにより、燃料電池１０の電解質膜の乾燥を防止することができ、蓄電池のサルフェーションによる劣化・短寿命化や自己放電による容量低下からの回復を図ることができる。
その結果、本発明は、電源装置を定期的に運転することで燃料電池の電解質膜の乾燥を防止し、蓄電池のサルフェーションによる劣化・短寿命化や自己放電による容量低下からの回復を図り、電源装置を長期間正常に作動するようメンテナンスされた電源装置を提供することができる。更に、この時の燃料電池の電圧や蓄電池の電圧等から正常に動作するか否かの診断も行う様にも出来る。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】図１は本発明電源装置の一実施形態における回路を示す回路図である。
【図２】図２は本発明の電源装置を構成する燃料電池の配管系統を示す説明図である。
【図３】図３は本発明電源装置のメンテナンス時のフローを示すフローチャートである。
【符号の説明】
【００２４】
０        燃料電池本体
１        充電器
５        蓄電池
６        電流計測器（ＣＴ）
７        スイッチ
９        コンバータ
１０      燃料電池
１１      スイッチ
１２      インバータ
１３      補器類
１４      制御部
１５      計測部
１６      インバータ
１７      負荷
１８      起動スイッチ
１９      自動運転スイッチ
２０      タイマー
２１      システム起動部
３０      水素ボンベ
３１      圧力センサ
３２      圧力センサ
３３      圧力レギュレータ
３４      遮断弁
３５      水素ガス
３６      空気
３７      電磁弁
３８      流量制御バルブ
３９      冷却ファン
４０      ブロア
１００    電源装置
【図１】
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【図２】
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【図３】
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