JPH0254627B2 - - Google Patents

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JPH0254627B2
JPH0254627B2 JP56183616A JP18361681A JPH0254627B2 JP H0254627 B2 JPH0254627 B2 JP H0254627B2 JP 56183616 A JP56183616 A JP 56183616A JP 18361681 A JP18361681 A JP 18361681A JP H0254627 B2 JPH0254627 B2 JP H0254627B2
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valve
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Guutobiiru Hainritsuhi
Shutoraasaa Kaaru
Rimuberuku Erumaaru
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Siemens Corp
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Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、直列または直並列に接続した燃料電
池または燃料電池装置を有する直流電源装置に関
する。
一般に、直流駆動に対して、電圧を変えるため
に電池を電気的に直列または並列または直並列に
接続することが知られている。燃料電池、または
燃料電池装置、すなわち複数の単一燃料電池また
は燃料電池群からなる電池装置に対しても同じこ
とが当てはまる。燃料電池は電気化学的な装置で
あり、そこでは燃料の酸化によつて生じたエンタ
ルピーが直接電気エネルギーに変換され、反応パ
ートナーすなわち燃料と酸化剤とが電池に絶えず
供給される（F.v.Sturm著”Elektrochemi−sche
Stromerzeugung”Verlag Chemie 1969、61ペ
ージ以下参照）。その際一般には水素、酸素、空
気などのガス状反応物を挿入する。
前述のような電池の場合、直列接続または並列
接続は少くとも機械的な開閉装置によつて行なわ
れるが、これは騒音がひどく環境公害となる。ま
た、この接続にはサイリスタスイツチあるいは直
流チヨツパなどのパワエレクトロニクス装置が使
用されるが、これは比較的に容積が大きく、その
上騒音も皆無とはいえない。
本発明の目的は、低い騒音で運転することがで
き、しかも容積の大きなパワエレクトロニクス装
置を省くことができるような、直列または直並列
に接続した燃料電池または燃料電池装置を有する
直流電源装置を提供するにある。
この目的は本発明によれば、それぞれの燃料電
池または燃料電池装置が固有のガス供給装置を備
え、そのガス供給導管には制御可能な弁を配置
し、直列に接続した燃料電池または燃料電池装置
のそれぞれの同極出力端子は電気弁を介して同じ
母線に接続し、ガス供給導管に挿入した弁を制御
することにより燃料電池または燃料電池装置の出
力を調整し得るようにすることにより達成され
る。
機械的な開閉時の騒音を回避するようにした本
発明の直流電源装置においては、出力電圧の制御
は、いわゆるガス側の開閉によつて行なう。さら
に、個々の燃料電池または燃料電池装置へのガス
の供給は、他の電池または電池装置への供給と無
関係に、電気エネルギーの需要に応じて調整され
る。無騒音の電圧調整は、ガス供給導管の比較的
小さな（反応物の）弁の制御によつて行なわれ
る。その場合、その開閉はもつばらガス側で行な
われ、電池または電池装置は常に電気的に接続さ
れたままである。
本発明による直流電源装置は特に電気的な駆動
装置に適している。また、この直流電源装置は他
の使用目的、例えば溶接装置または電池の充電に
も適用される。
ガス側の開閉によつて出力調整あるいは回転数
調整を行なう電気駆動装置に使用する場合、本発
明による装置は特に下記の長所をもつている。
ａ 騒音の大きな直流電力開閉装置またはこれに
類する装置、あるいは高価な可制御のパワエレ
クトロニクス式運転手段を使用せずに大きな調
整範囲にわたつて無騒音で電圧を段階的に変化
できる。
ｂ 特に多く使用される低回転速度領域におい
て、エネルギーの供給にあずかる燃料電池また
は燃料電池装置が最良の効率で運転されるよう
燃料電池設備を無騒音に安定させることができ
る（その効率の最適値は燃料電池または燃料電
池装置の場合約30％の負荷率にあり、その場合
60％以上の効率を得ることができる）。
ｃ 特に多く使用される低い範囲の回転速度に対
しては、出力的に不必要な電池および電池装置
は動作させないようにし、あるいは、同じ運転
回転速度に対して他の燃料電池および燃料電池
装置も制御プログラムについて部分的に関与さ
せるようにする（運転時間の調整）ことによつ
て、燃料電池設備の寿命を長くすることができ
る。
本発明による直流電源装置は、船舶特に潜水艦
船の電気推進に特に適している。この場合、所要
の推進エネルギーの発生に必要なだけの燃料電池
または燃料電池装置を運転すればよいことは特に
長所である。このようにして電池または電池装置
に供給されたガスは、発生したエネルギーと同様
に最適に利用される。潜水艦船の場合には、燃料
電池または燃料電池装置の使用により、低騒音で
回転速度調整ができることと共に、外気と無関係
に運転できる長所がある。
本発明による装置において、電池または電池装
置の電気出力端に設ける電気弁は、ダイオードと
して構成することができる。このようにすること
によつて、可制御のパワエレクトロニクス装置を
使用せずに推進速度の増減を行なうことができ
る。
しかし電気弁を制御できるようにすることもで
き、これは特に起動過程に重要である。すなわ
ち、電動機の起動に際しては、極めて大きな電流
が流れ、これは場合によつては燃料電池または燃
料電池装置の過負荷を起すことがある。可制御弁
を使用することによつて、このような過負荷が回
避され、緩やかな起動特性を得ることができる。
その他、電気的な起動特性は、反応物弁を開い
た後、所定の反応物圧力制御を行ない、特に酸素
側の圧力を特定の運転圧力に徐々に変化させるこ
とによつて制御することができる。
本発明を図面に示す実施例についてはさらに詳
細に説明する。
第１図に概略的に示すように、船舶例えば潜水
艦船の外殻１０を貫通してプロペラ１２の駆動軸
１１が導かれ、この軸は従来の方法でプロペラ電
動機１３に連結されている。この電動機の界磁巻
線１４は、後に詳述するように、励磁機用変換装
置１５を介して直流電源装置に接続されている。
電動機１３は、導線１６および１７を介して通
常の開閉装置を装備した配電盤１８（この配電盤
の開閉器具は通常の航行運転では動作しない）に
接続されている。配電盤１８から母線１９が開閉
器２０に接続され、母線２１は開閉器２２および
２３に接続されている。これらの開閉器には、第
１図においては簡略化されて電流源の図形で示さ
れ、符号２４（または２４ａ）で表わされた燃料
電池または燃料電池装置が接続されている。第１
図に示すように、燃料電池または燃料電池装置
（以下、燃料電池ユニツト２４と略称する）は２
つのグループにまとめられている。この２つのグ
ループは、便宜上から２つの分離した空間２５お
よび２６内に設けられ、開閉器２３，２７および
２０，２２によつて電気的に分割される。
見易くするため、第１図ではすべての燃料電池
ユニツト２４が図示されておらず、一部分だけが
示されている。同様に第１図においては、個々の
燃料電池ユニツト２４の固有のガス供給装置はい
くつかのユニツトだけに図示され、残りのユニツ
トでは略示されている。さらに第１図では同様に
見易くするため、ガス供給導管に配置される可制
御弁も図示されていない。この弁は第１Ａ図に示
されている。
第１Ａ図には、第１図の燃料電池ユニツト２４
ａのＺで示した部分が拡大して図示されている。
それぞれの燃料電池ユニツトは、ガス供給導管２
８および２９で示す固有のガス供給装置を備えて
いる。ガス供給導管２８および２９は、例えば酸
素および水素用の主導管３０および３１（第１図
参照）に接続されている。ガス供給導管２８およ
び２９には、弁３２および３３が付属の制御機構
３４および３５と共に設けられている。弁３２お
よび３３は機械的に動作するガス調整機構とし
て、または電気的に操作可能な電磁弁として、ま
たは液圧で動作する弁として構成することができ
る。
第１図に示す実施例では、それぞれ５個あるい
は10個の燃料電池ユニツト２４が、ないしで
示す部分グループに電気的にまとめられ、第１図
に示す実施例は合計80個の燃料電池ユニツト２４
を備えている。部分グループは互に直列に接続さ
れ、部分グループないしからなるグループは
空間２５の中に40個の燃料電池ユニツトが設けら
れ、部分グループないしからなるグループは
空間２６の中に40個の燃料電池ユニツトが設けら
れている。これらの２つのグループは、前述のよ
うに開閉器２３，２７および２０，２２によつて
互に電気的に分割することができる。
直列に接続された部分グループないし、お
よびないしの同極出力端は導線３６，３７お
よび開閉器２２，２３を介して同一の母線２１に
接続されている。各導線３６，３７には例えばダ
イオードからなる電気弁３８，３９が設けられて
いる。母線２１は母線１９と同じく配電盤１８に
接続されている。またさらに、母線１９は部分グ
ループないしからなる燃料電池ユニツトをバ
イパスして、部分グループないしからなる燃
料電池ユニツトと導線４０によつて直接接続さ
れ、導線４０には開閉器４１が設けられている。
所望の目標回転速度に調整するため、第１図に
示す船舶推進装置においては、所望の回転速度ｎ
の速度段階に達するまで、燃料電池設備の時間特
性、出力容量、熱的な状況に応じて、燃料電池ユ
ニツト２４が相次いで作動される。
船舶または潜水艦船の推進速度を例えば静止状
態から速度段階の範囲の回転速度n4にようとす
る場合には、反応物用弁３２，３３を介して部分
グループのすべての燃料電池ユニツト２４が、
酸素および水素用の主導管３０，３１に接続され
る。電動機１３の励磁装置は励磁機用変換装置１
５および界磁巻線１４を介して励磁される。
励磁機用変換装置１５は、例えば４個の燃料電
池ユニツトを備えた別個の燃料電池設備４２から
給電することが好ましい。このため励磁機用変換
装置１５は配電盤４３を介して燃料電池設備４２
と接続されている。燃料電池設備４２には、配電
盤４３を介してさらに別の負荷を接続することも
できる。燃料電池設備４２のガス側は、弁４４お
よび４５を介して酸素および水素用の主導管３０
および３１に接続されている。燃料電池設備４２
はその使用目的に応じてほぼ一定の出力電圧で動
作する。
燃料電池の過渡特性に応じて今や電流が流れは
じめ、部分グループの燃料電池ユニツトから導
線３６、ダイオード３８、開閉器２２、母線２１
を経て配電盤１８および電動機１３に流れ、そこ
から母線１９および開閉器２０を介して部分グル
ープの燃料電池ユニツトに還流する。電動機が
起動した後、界磁を弱めることによつて回転速度
が高くされ、一定の時間の後、さらに部分グルー
プの燃料電池ユニツトが動作できるようになる
（ガス側の接続）。
部分グループの燃料電池ユニツトに電圧が確
立された後、この部分グループに属する導線３６
のダイオード３８は、導通方向に高い正電圧をも
つため電流方向に導通する。そこで、電流は部分
グループの燃料電池ユニツトおよび前記ダイオ
ードに転流する。部分グループに属する導線３
６のダイオード３８は阻止され、従つて部分グル
ープの短絡が防止される。
さらに起動過程が、所望の速度段階が得られる
まで同様に行なわれる。この速度段階内の回転速
度の微調整および制御は、界磁調整すなわち励磁
機用変換装置１５による界磁電流の調整によつて
行われる。所望の回転速度に属する速度（定常状
態）に達した後、残余の燃料電池ユニツトが、す
べての外部の補助装置を含めて船舶推進電動装置
と共に最適効率で動作（最適の全設備効率）する
ことができるまで、燃料電池ユニツトの作動する
部分グループ内においてガス側に並列にあるユニ
ツトが接続される。
本発明の直流電源装置の第１図に示した実施例
によつて、開閉装置を含めて、特に次の課題が解
決される。
ａ 設備の保護 ｂ 損傷時回路および冗長回路 ｃ 急速停止操作および逆転操作と関連した特別
なプログラム（この場合すべての必要な構成要
素は図示されていない） ｄ 燃料電池設備のウオームアツプ 第２図には、二次電池の充電に使用される本発
明の直流電源装置の実施例が示されている。ここ
では、充電を必要とする二次電池５７ないし５９
が電気導線５１ないし５６によつて電池充電プラ
ントの直流開閉装置５０に接続され、この場合に
は例えば電気牽引に適した鉛蓄電池またはその他
の形式の蓄電池が取り扱われている。同時に充電
することができる電池の数は、全体の装置の電気
特性および充電時間に関する要求によつて左右さ
れる。
母線６０および６１によつて８個の燃料電池ユ
ニツト６２ないし６９が直流開閉装置５０に接続
されている。これらの燃料電池ユニツトは、ユニ
ツト６２ないし６５、および６６ないし６９から
なる２つの互に並列に接続されたグループにまと
められている。これら両グループの内部におい
て、燃料電池ユニツトは電気的に直列に接続され
ている。並列に接続するグループの数は、第２図
に示すように、任意に多くすることができる。グ
ループ内に直列に接続する燃料電池ユニツトにつ
いても同じことがあてはまる。
直列に接続された燃料電池ユニツトの同極出力
端子７０ないし７７は電気接続線７８ないし８１
によつて同じ母線６０に接続されている。これら
の接続線にはそれぞれ電気弁が設けられている。
この場合、第２図で符号８２ないし８５によつて
示されている電気弁としては、ダイオードが使用
される。燃料電池ユニツト６２ないし６９のガス
側は全設備の水素および酸素用のガス主導管８６
および８７に接続され、その場合ガス供給導管に
は個々の燃料電池ユニツトに制御弁８８ないし１
０３が設けられている。
充電過程における燃料電池ユニツト６２ないし
６９の接続または切り離しは、ガス供給導管にお
ける、各ユニツトに属する制御弁を開閉すること
によつて、そして各電池の充電特性曲線の電気的
な条件に従つて行なわれる。ガス供給導管の弁に
対する制御指令は、例えば充電自動装置から出さ
れる。その場合、充電電圧範囲の調整は、直列に
接続する燃料電池ユニツトの数を調整することに
よつて行なわれる。初めは、充電電流は並列に接
続するユニツトの数によつて変化する。充電過程
の進行段階においては直列にユニツトを接続する
ことによつて充電電流をほぼ一定にすることがで
きる。
充電過程において、例えば燃料電池ユニツト６
２，６３および６６，６７をそれらに属する制御
弁８８ないし９１および９６ないし９９を介して
接続している。その場合、下記の経路で電流回路
が閉成される。すなわち、燃料電池ユニツト６
２，６３および並列に接続したユニツト６６，６
７から、電気接続導線７９、ダイオード８３、母
線６０を経て開閉装置５０に至る経路、開閉装置
５０から並列に接続した充電ケーブル５２，５
４，５６を経て電池５７ないし５９に至り、そこ
から充電ケーブル５１，５３，５５を経て開閉装
置５０に戻る経路である。開閉装置５０から、電
流回路は母線６１を経て燃料電池ユニツト６２，
６３，６６，６７に至る。さらに、充電電流は、
電気弁８２ないし８５のうち、導通方向に最高の
電圧をもつた弁を介して流れる。
【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１
Ａ図は第１図のＺ部を詳細に示す回路図、第２図
は本発明の別の実施例を示す回路図である。 １０……外殻、１１……駆動軸、１２……プロ
ペラ、１３……プロペラ電動機、１４……界磁巻
線、１５……励磁機用変換装置、１６，１７……
導線、１８……配電盤、１９……母線、２０……
開閉器、２１……母線、２２，２３……開閉器、
２４，２４ａ……燃料電池ユニツト、２５，２６
……空間、２７……スイツチ、２８，２９……ガ
ス供給導管、３０，３１……ガス主導管、３２，
３３……弁、３４，３５……制御機構、３６，３
７……導線、３８，３９……ダイオード、４０…
…導線、４１………開閉器、４２……燃料電池設
備、４３……配電盤、４４，４５……弁、５０…
…直流開閉装置、５１〜５６……電気導線、５７
〜５９……二次電池、６０，６１……母線、６２
〜６９……燃料電池ユニツト、７０〜７７……同
極出力端子、７８〜８１……電気接続線、８２〜
８５……ダイオード、８６，８７……ガス主導
管、８８〜１０３……制御弁。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 １ 直列または直並列に接続した燃料電池または
    燃料電池装置のそれぞれ固有のガス供給装置を備
    え、そのガス供給導管には制御可能な弁を配置
    し、直列に接続した燃料電池または燃料電池装置
    のそれぞれの同極出力端子は電気弁を介して同じ
    母線に接続し、ガス供給導管に挿入した弁を制御
    することにより燃料電池または燃料電池装置の出
    力を調整し得るようにしたことを特徴とする直流
    電源装置。 ２ 電気弁がダイオードからなることを特徴とす
    る特許請求の範囲第１項記載の直流電源装置。 ３ 電気弁が可制御式に構成されることを特徴と
    する特許請求の範囲第１項記載の直流電源装置。
JP56183616A 1980-11-19 1981-11-16 Dc power source Granted JPS57111963A (en)

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