JPH01211860A - 燃料電池発電システムの制御装置 - Google Patents

燃料電池発電システムの制御装置

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JPH01211860A
JPH01211860A JP63036333A JP3633388A JPH01211860A JP H01211860 A JPH01211860 A JP H01211860A JP 63036333 A JP63036333 A JP 63036333A JP 3633388 A JP3633388 A JP 3633388A JP H01211860 A JPH01211860 A JP H01211860A
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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】 この発明は、例えばフォークリフト等の電気自動車用電
源に用いる燃料電池発電システムの制御装置に関する。
〔従来の技術〕
一般に燃料電池と燃料改質器とを組合せて構成した燃料
電池発電システムでは、改質器の応答速度が遅いことか
ら特に頭記したフォークリフトのように走行、荷役の運
転状況で負荷が急激に変動する用途には燃料電池の出力
を負荷変動に応答よく追従させることが困難である。こ
のために燃料電池のバックアップ用として燃料電池の出
力側に補助電源の蓄電池を接続し、燃料電池の出力に対
して負荷が大きい重負荷運転状態では電力の不足分を蓄
電池より放電し、軽負荷、無負荷の運転時に燃料電池の
余剰電力で蓄電池を回復充電するようにしたハイブリッ
ド方式の燃料電池発電システムが特願昭６２−１２１１
４７として同じ出願人より既に提案されている。
一方、軽負荷、無負荷運転状態が長時間継続した状態で
燃料電池より蓄電池を充電し続けると蓄電池が過充電と
なり、また重負荷運転状態で燃料電池の電力不足分を長
時間蓄電池より放電すると逆に蓄電池が過放電となり、
かつこのような過充。
放電状態を繰り返し行うと蓄電池の寿命が大幅に縮まる
と言った問題があり、この対策として蓄電池の充電量を
監視し、蓄電池の残存容量に対応して燃料電池の出力を
増減制御することにより重負荷に対応できるように蓄電
池を高い充電状態に保持し、併せて負荷への電力供給の
安定化を図るようにした燃料電池発電システムの制御装
置が同じ出願人より特願昭６２−１１０６３４として提
案されている。
〔発明が解決しようとする課題〕
ところで頭記したフォークリフトのように荷役。
走行状態で負荷が象、激に変動するものでは、常に重負
荷に対応できるように発電システムの蓄電池を高い残存
容量の状態に維持しておく必要があり、このためには軽
負荷、無負荷の時間帯を利用して行う蓄電池の回復充電
の際に蓄電池の寿命を縮めない許容充電条件の範囲内で
できるだけ短時間で充電を済ませることが必要である。
かかる点、上記した既提案の制御方式は蓄電池の充電量
に対応して燃料電池の出力を可変制御する基本的な制御
方式を提供するにとどまり、先記のように蓄電池の性能
劣化を来さない許容充電条件の下でできる限り短時間内
に蓄電池の回復充電を済ませると言った要望に対し、蓄
電池の充電特性に即して燃料電池の出力をきめ細かに制
御するには不十分である。
次にこの点について述べると、まず第３図は鉛蓄電池を
対象とした蓄電池の通常の時間率での充。
放電特性を示すものであり、該特性のＡ、ＢｆｉＪｌ域
では蓄電池の充、放電の電池反応が可逆的に行われるの
に対し、Ｃ９７１域で示す過充、放電の状態になると安
定した可逆的反応が崩れて不可逆的となり、この領域で
蓄電池を繰り返し使用すると電池特性を劣化させるのみ
ならず寿命を大幅に縮めることが知られている。また第
４図は鉛蓄電池の充電における電流−電圧特性を各放電
Ｎ（％）に付いて示したものであり、図中の特性線りは
充電許容ＦＩＮ域の境界線を表している。すなわち各放
電量（％）の特性線と充電許容領域の境界線りとの交点
以下の小さな時間率電流で充電を行う限りは安全である
が、前記特性線の交点を超えた破線領域で大きな充電電
流を与える２、速充電を繰り返し行うと蓄電池の性能劣
化が急速に進行する。つまりＭ電池を回復充電する場合
には、蓄電池の特性面からその残存容量の状態によって
許容充電電流。
したがって許容充電電圧が異なるものであり、特に先記
したフォークリフトの電源のように重負荷運転の合間の
軽負荷運転時を利用し、しかも電池特性劣化を来すこと
なく短時間で蓄電池を回復充電させる必要のある場合に
は第４図の許容領域の限界ぎりぎりの充電条件で回復充
電を行うきめ細かな制御が必要である。
この発明は、上記した蓄電池の特性を基礎として、蓄電
池の性能劣化を来すことのない充電条件の下でできる限
り短い時間内に蓄電池を目標の充？ｔｆｉまで回復充電
させるようきめ細かな制御を可能にした、特にフォーク
リフトのように負荷変動が激しい１１１に用いるハイブ
リッド方式の燃料電池発電システムに優れた効果を発揮
する燃料電池発電システムの制御装置を提供することを
目的とする。
〔課題を解決するための手段〕
上記目的を達成するために、本発明の制御装置は、燃料
電池の出力を調節する出力調節手段と、燃料電池から取
出した出力電流を調節する出力電流調節手段と、蓄電池
の電圧検出手段、および充電量検出手段と、蓄電池の充
電特性を基にあらかじめ定めた各充電状態に対応する許
容充電電圧の設定値、および常時保持すべき充電量の目
標値と前記各検出手段より得た蓄電池の電圧、充電量の
検出値とを対比してその対比結果を基に燃料電池の出力
調節手段、並びに出力電流調節手段を制御するコントロ
ーラとを具備して構成するものとする。
〔作用〕
上記において、まず許容充電電圧の設定値、充を量の目
標値はコントローラに装備のメモリに格納されており、
ここで常時保持すべき充電量の目標値は好ましくは８０
％以上に設定され、かつその充電制御パターンは第４図
で述べた蓄電池の電流−電圧特性を基にして定めた第２
図の充電許容境界線Ｅで表すように蓄電池の残存容量に
相応して設定されている。また蓄電池の残存容量は充電
量検出手段を通じて蓄電池の充、放電量を監視し、定格
容量と比較して演算することにより求めることができる
。
かかる充電制御の条件で、発電システムの稼働時に重負
荷運転により蓄電池から放電してその残存容量が８０％
以下に低下した場合には、蓄電池の充電量検出値、電圧
値と前記のようにコントローラのメモリに格納されてい
る各設定値とを対比し、その対比結果を基に蓄電池の充
電電圧、つまり燃料電池から負荷、蓄電池へ給電する出
力電圧を蓄電池の許容充電電圧の設定値を超えない条件
で燃料電池の出力、出力電流を増加させるようにその出
力調節手段、出力電流調節手段を制御し、蓄電池が目標
の充電量に達するまで回復充電を行う。
なお実際の制御に当たワては、蓄電池の充電量８０％以
上の成る１点に設定値を定めてＰＩＤ制御するか、ある
いは設定値を充１１１ａｏ％以上の成る２点に定めて２
位置制御する等の方式で実施される。
このようにしてバックアップ用蓄電池の残存容量に応じ
て充電電圧を許容充電電圧の設定値に抑えながら燃料電
池の出力を制御することにより、蓄電池の残存容量が目
標値以下に低下した場合にはＭＴＩ池の性能劣化を来す
ことのない充電条件で蓄電池を短時間の内に回復充電す
ことができ、併せて負荷の急激な変動に対応して常に負
荷へ安定した電力を供給することができる。
Ｃ実施例〕 第１図は本発明実施例による燃料電池発電システムの制
御装置を示すブロック図であり、ここで１はメタノール
などの改質原料を貯蔵した原料タンク、２は改質器、３
は燃料電池、４は燃料電池３の出力電流調節手段として
のＤＣ−Ｄ’Ｃコンバータ、５は負荷、６がバックアッ
プ用の蓄電池である。また７は原料タンク１より改質器
２へ改質原料を送り込む原料移送ポンプ、８は改質器２
のバーナへ燃焼空気を送り込む燃焼空気ブロア、９は燃
料電池１へ反応空気を送り込む反応空気ブロア、ｌＯは
これら補機を運転制御して燃料電池の出力調節を行う出
力調節手段としての補機コントローラであり、これらで
燃料電池発電システムを構成している。なお前記の改質
器２は燃料電池３から排出されるオフガスを燃焼して改
質反応熱を得るようにしており、また前記の各種補機、
および補機コントローラ１０で消費する電力は燃料電池
３の出力側より給電するようにしている。
一方、上記の燃料電池発電システムに対し、前記した燃
料電池の出力調節手段、出力電流調節手段を含めて符号
１１で示す蓄電池６の電流検出器１１、該電流検出器１
１で検出した蓄電池の充、放電電流を積算するアンペア
・アワー計１２、蓄電池の電圧検出器１３、およびアン
ペア・アワー計１２．　ｉｔ圧検出器１３からの信号と
メモリ１４に格納されている蓄電池の充電量目標値（充
電量８０％以上の値）、および第２図の制御パターンで
与えられる許容充電電圧の設定値との対比結果により補
機コントローラ１０．ＤＣ−ＤＣコンバータ４へ向けて
制御指令信号１ｆｃを出力するコントローラ１５を具備
して制御系を構成している。なお１６はＤＣ−ＤＣコン
バータ４の調節器、１７はＤＣ−ＤＣコンバータ４の入
力側の電流を検出する燃料電池３の出力電流検出器、１
８は前記電流検出器１７の検出信号とコントローラ１５
からの指令信号１ｆｃとを比較する比較器である。
かかる構成で燃料電池発電システムを稼働して負荷５に
給電を行っている運転状態では、蓄電池６の充、放電量
、電圧の検出値が電流検出器１１゜アンペア・アワー計
１２．および電圧検出器１３を通じてコントローラ１５
に入力され、ここでコントローラは蓄電池６の残存容量
を演算するとともにメモリ１４に格納されている蓄電池
の充電目標値（充電１８０％以上のｉｎ）、および第２
図における充電許容境界線Ｅの制御パターンで示した蓄
電池の残存容量に対応する充電電圧設定値とを対比し、
その対比結果を基にコントローラ１５から燃料電池出力
の指令信号１ｆｃが出力される。この指令信号は一方に
おいては補機コントローラ１０に与えられ、補機コント
ローラ１０では指令信号ｒｆｃに応じて原料移送ポンプ
７、燃焼空気プロア８．および反応空気ブロア９を制御
して燃料電池３の出力を調節する。また同時に前記指令
信号■「ｃは比較器１８において燃料電池電流検出器１
７からの出力信号と比較され、その比較結果を制御信号
として１ｌｉｌ！ｆｆ器１６を介してＤＣ−ＤＣコンバ
ータ４を制御し、その出力電流を変えて負荷５．蓄電池
６側へ給電する燃料電池の出力電流を指令信号１ｆｃに
対応して調節する。
この場合に負荷増加に伴って蓄電池６から負荷５へ電力
不足分を補給するように放電する運転状態が行われ、こ
の結果として蓄電池６の残存容量が充電目標値以下に低
下した状態になると、蓄電池６の電圧も許容充電電圧の
範囲内に低下するので、コントローラ１５は第２図の制
御パターンにおける充電許容境界線已に対応した許容充
電電圧の設定値を超えない条件でＤＣ−ＤＣコンバータ
４の出力電流を増加させるように指令信号１ｆｃを出力
する。なお同じ指令信号ＩｆｃはＤＣ−ＤＣコンバータ
の電流を増加させる以前に補機コントローラ１０に与え
て燃料電池の出力を高める。これにより燃料電池の出力
に追随する形で多少時間が遅れてＤＣ−ＤＣコンバータ
の出力電流が増加するようになる。この制御状態は蓄電
池６の充電量が目標値（充電量８０％以上の成る（！　
）に到達するまで継続して行われ、かつこの充電過程で
は蓄電池６の充電量の増加とともにその許容充電電圧設
定値が第２図の制御パターンで与えられた許容充電境界
線已に沿って変化するようにコントローラ１５がら出力
する指令信号１ｆｃを刻々変化させて回復充電が行われ
る。なおこの制御動作は先述したようにＰＩＤ制御、な
いしは２位置制御等の制御方式で実施される。また蓄電
池６の充電量が目標値まで回復した状態になれば、コン
トローラ１５を通じて燃料電池の出力が元の運転状態ま
で低下するように調節される。なお、頭記したフォーク
リフトの操業中断時のように、外部負荷のない場合には
、蓄電池の充電後は燃料電池が停止制御される。
〔発明の効果〕
以上述べたようにこの発明によれば、燃料電池の出力を
調節する出力！１１ｍ手段と、燃料電池から取出した出
力電流を調節する出力電流調節手段と、蓄電池の電圧検
出手段、および充電量検出手段と、蓄電池の充電特性を
基にあらかじめ定めた各充電状態に対応する許容充電電
圧の設定値、および常時保持すべき充電量の目標値と前
記各検出手段より得た蓄電池の電圧、充電量の検出値と
を対比してその対比結果を基に燃料電池の出力調節手段
。
並びに出力電流調節手段を制御するコントローラとを具
備して燃料電池を制御するよう構成し、負荷の増大に伴
う蓄電池からの放電により蓄電池の残存容量が目標値以
下に低下した場合には充電電圧を許容値を超えないよう
に抑えながら燃料電池の出力を増加させて目標値まで蓄
電池を回復充電させるように制御することにより、蓄電
池の性能劣化を来すことのない充電条件で蓄電池を短時
間の内に充電を済ますことができ、かくして蓄電池の寿
命を縮めることなく常に蓄電池を重負荷に対応可能な高
い充電量に保持し、併せて負荷へ安定した給電が行える
等、特にフォークリフト等のように負荷変動の激しい電
源を用途とする燃料電池発電システムに対し優れた効果
を発揮する制御装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
第１図は本発明の実施例による燃料電池発電システムの
制御装置の系統図、第２図はその充電制御パターン図、
第３図は蓄電池の充、放電特性図、第４図は蓄電池の充
電電流−電圧特性図である。 各図において、 ２：改質器、３：燃料電池、４：出力電流調節手段とし
てのＤＣ−ＤＣコンバータ、５：負荷、６：蓄電池、１
０：出力ｔ１１ｗ１手段としての補機コントローラ、１
１：蓄電池の電流検出器、１２：アンペア・アワー計、
１３：蓄電池の電圧検出器、１５：コ第２図 第４図

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. １）燃料電池の出力側にバックアップ用電源としての蓄
    電池を接続して負荷への給電を行うハイブリッド方式燃
    料電池発電システムの制御装置であって、燃料電池の出
    力を調節する出力調節手段と、燃料電池から取出した出
    力電流を調節する出力電流調節手段と、蓄電池の電圧検
    出手段、および充電量検出手段と、蓄電池の充電特性を
    基にあらかじめ定めた各充電状態に対応する許容充電電
    圧の設定値、および常時保持すべき充電量の目標値と前
    記各検出手段より得た蓄電池の電圧、充電量の検出値と
    を対比してその対比結果を基に燃料電池の出力調節手段
    、並びに出力電流調節手段を制御するコントローラとを
    具備して構成したことを特徴とする燃料電池発電システ
    ムの制御装置。
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