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JP4096430B2 - 燃料電池装置 - Google Patents

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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料として水素を用い空気を酸化剤とした固体高分子型燃料電池を用いた燃料電池装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池本体は電解質層を燃料極と空気極とで挟持した単セルを積層し、燃料極と空気極にそれぞれ燃料ガスと空気を供給し電気化学反応することにより電力を生じている。燃料電池本体は、負荷電流密度が上昇すると、電極触媒の活性化分極、オーム損失及び濃度分極により燃料電池の出力電圧が低下する特性を持っている。このため、燃料電池を電源として外部負荷出力を行う場合には、燃料電池から出力される直流電力を直直流変換器あるいは直交流変換器を用いて一定電圧の出力を可能にしたシステムとして用いられている。また、燃料電池本体は負荷電流密度変化に対する出力電圧の応答が遅く、このため外部負荷に急変が生じた場合、出力電圧が一時的に大幅に低下し外部負荷側が要求する最低動作電圧以下の出力電圧になり、システムが停止する恐れがあった。
【０００３】
この問題を解決するために、特開昭５０−１１６９２５号公報などに燃料電池に並列に二次電池を配置し、外部負荷急変時に燃料電池側の外部負荷変動を軽減するように二次電池から外部負荷へ電力を供給するシステムが提案されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図２に示すような外部負荷急変時に二次電池から負荷へ電力を供給するシステムの場合、二次電池の充電に必要な電圧と、負荷用に必要な電圧が異なるため、直直流変換器あるいは直交流変換器に負荷用出力と二次電池充電用出力の２系統の出力が必要になり機器の複雑化及びコストアップを招いていた。
【０００５】
また、図３に示すような二次電池の充電用出力を負荷用出力系統より分岐させているシステムの場合、二次電池の出力系統は直直流変換器あるいは直交流変換器に入力されることになる。その場合、二次電池から負荷へ供給する電力が直直流変換器あるいは直交流変換器を経由して負荷に出力されるため、二次電池からの電力に直直流変換器あるいは直交流変換器の効率がかかり、損失が生じていた。
【０００６】
本発明は、上記従来の問題点を解決するために外部負荷急変時に二次電池からの電力を有効に燃料電池装置に供給し、かつシステムの簡素化及び安価な燃料電池装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するために本発明の燃料電池装置は、燃料電池本体とこの燃料電池本体から出力される直流電力を所定の電圧Ｖ１の直流または交流に変換する直直流変換器あるいは直交流変換器と、外部負荷出力端子と、燃料電池装置の駆動に必要な補器と、前記燃料電池本体の出力が不足しているときに前記燃料電池装置の駆動に必要な補器を駆動する出力電圧Ｖ２の二次電池と、前記二次電池の充電を制御する充電制御部と、前記直直流変換器あるいは直交流変換器からの出力電流を前記外部負荷出力および前記燃料電池装置の駆動に必要な補器および前記充電制御部への供給を制御しかつ、前記二次電池からの出力電力の供給を制御する回路切り換え制御部からなる燃料電池装置であって、外部負荷急変時に前記燃料電池本体の出力電圧Ｖが所定の電圧Ｖ３以下になったとき前記充電制御部への出力を停止し、さらに前記燃料電池本体の出力電圧Ｖが所定の電圧Ｖ４以下になったとき前記燃料電池装置の駆動に必要な補器への出力を前記直直流変換器あるいは直交流変換器の出力から二次電池の出力に切り換えるものであり、前記直直流変換器あるいは直交流変換器後の出力電圧Ｖ１と前記二次電池出力電圧Ｖ２の関係が、Ｖ１＞Ｖ２となるように設定したことを特徴とする。
【０００８】
本発明に係わる第２の燃料電池装置の構成は、前記燃料電池装置の外部負荷急変後、前記燃料電池本体の出力電圧Ｖが所定の復帰電圧Ｖ６以上になったとき前記充電制御部への出力を再開し、前記燃料電池本体の出力電圧Ｖが復帰電圧Ｖ７以上になったとき前記燃料電池装置の駆動に必要な補器への出力を再開するものである。
【０００９】
このような構成とすることにより、外部負荷急変時においても安定した負荷出力が得られ、簡素で安価で高効率な燃料電池装置を提供することができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明の第一の発明は、燃料電池本体と、燃料電池本体から出力される直流電力を所定の電圧Ｖ１の直流または交流電力に変換する直直流変換器あるいは直交流変換器と、外部負荷出力端子と、燃料電池装置の駆動に必要な補器と、燃料電池本体の出力が不足しているときに燃料電池装置の駆動に必要な補器を駆動する出力電圧Ｖ２の二次電池と、二次電池の充電を制御する充電制御部と、直直流変換器あるいは直交流変換器からの出力電力を外部負荷出力端子および燃料電池装置の駆動に必要な補器および充電制御部への供給を制御しかつ、二次電池からの出力電力の供給を制御する回路切り換え制御部とからなる燃料電池装置であって、直直流変換器あるいは直交流変換器後の出力電圧Ｖ１と二次電池の出力電圧Ｖ２の関係がＶ１＞Ｖ２になるように設定し、かつ外部負荷急変時に燃料電池本体の出力電圧Ｖが所定の電圧Ｖ３以下になったとき充電制御部への出力を停止し、さらに燃料電池本体の出力電圧Ｖが低下し所定の電圧Ｖ４以下になったとき燃料電池装置の駆動に必要な補器への出力を直直流変換器あるいは直交流変換器の出力から二次電池の出力に切り換える燃料電池装置である。
【００１１】
また、本発明の第二の発明は、上記第一の発明と同様の構成の燃料電池装置であって、直直流変換器あるいは直交流変換器後の出力電圧Ｖ１と二次電池出力電圧Ｖ２の関係がＶ１＞Ｖ２になるように設定し、かつ外部負荷急変時に燃料電池本体の出力電圧Ｖが所定の電圧Ｖ３以下になったとき充電制御部への出力を停止し、さらに燃料電池本体の出力電圧Ｖが低下し所定の電圧Ｖ４以下になったとき燃料電池装置の駆動に必要な補器への出力を直直流変換器あるいは直交流変換器の出力から二次電池の出力に切り換え、また、燃料電池本体の出力電圧Ｖが所定の復帰電圧Ｖ６以上になったとき充電制御部への出力を再開し、燃料電池本体の出力電圧Ｖが復帰電圧Ｖ７以上になったとき燃料電池装置の駆動に必要な補器への出力を再開する燃料電池装置である。
【００１２】
さらに、燃料電池本体の出力電圧Ｖに基づいて、燃料電池の駆動に必要な補器の補器出力の値を、出力電圧Ｖが所定電圧より低い時は大きく、所定電圧より高い時は小さくするものである。
【００１３】
また、上記燃料電池装置の駆動に必要な補器が複数であり、駆動する複数の補器を直直流変換器あるいは直交流変換器後の出力で駆動する場合は直列で駆動し、二次電池出力で駆動する場合は各々並列に駆動するものである。
【００１４】
（実施の形態１）
図１に本発明の一実施の形態である燃料電池本体を用いた燃料電池装置の概略構成図を示す。図１において、１は電解質層を燃料極と空気極とで挟持した単セルを積層し、燃料極と空気極にそれぞれ燃料ガスと空気を供給し電気化学反応することにより電力を生じる燃料電池本体である。２は主に燃料電池本体１に水素ガス及び空気を供給する補器、３は燃料電池本体１から出力される直流電力を所定の電圧Ｖ１の直流電力に変換する直直流変換器、４は外部へ負荷を供給する外部負荷出力端子、５は燃料電池本体１の出力電圧が低下したときに補器２を駆動する出力電圧Ｖ２の二次電池、６は二次電池５の充電を制御する充電制御部、７は直直流変換器３からの出力電流の外部負荷出力端子４および補器２および充電制御部６への供給を制御しかつ、二次電池５から補器２への出力電力の供給を制御する回路切り換え制御部、８は燃料電池本体１からの外部出力を制御する制御スイッチ、９は燃料電池本体１の出力電圧をモニターし回路切り換え制御部７に制御信号を与えるセンサー部、１０は二次電池５と充電制御部６との回路を遮断する電池保護スイッチＡ、１１は二次電池５と回路切り換え制御部７を遮断する電池保護スイッチＢであり、これら各構成部により燃料電池装置は構成される。
【００１５】
このような部材により構成される燃料電池装置は、二次電池５の保護スイッチＡ１０、Ｂ１１を接続し、燃料電池本体１に燃料である水素を供給後、制御スイッチ８を接続することで燃料電池装置の起動が完了する。起動が完了し、燃料電池本体１が定常運転にはいると、燃料電池本体１で生じた直流電力は直直流変換器３により所定の電圧Ｖ１の直流電力に変換され、回路切り換え制御部７を通り外部負荷出力端子４に定常的に供給される。この外部負荷出力を定常的に行っている状態で急激な負荷変動が生じ、一時的に燃料電池本体１の出力電圧Ｖが低下し、所定の電圧Ｖ３以下になった場合、センサー部９からの信号により充電制御部６への出力を回路切り換え制御部７にて停止する。さらに出力電圧Ｖが低下し、ある定められた電圧Ｖ４以下になった場合、センサー部９からの信号により補器２への出力を回路切り換え制御部７にて停止し、同時に補器２への出力電力を二次電池５からの出力電力に切り換えることで、燃料電池本体１にかかる負荷が軽減され、出力電圧Ｖの値を負荷側の最低動作電圧Ｖ５以上に保つことが可能になる。
【００１６】
ここで、Ｖ3、Ｖ4およびＶ5の関係は下記式（１）による。
Ｖ３ ≧ Ｖ４ ＞ Ｖ５ （１）
その後、燃料電池本体１の出力電圧Ｖの回復や外部負荷の軽減により出力電圧Ｖが所定の復帰電圧Ｖ６以上になった時、センサー部９からの信号により補器２への出力を回路切り換え制御部７にて再開し、同時に補器２への出力電力を二次電池５から直直流変換器３の出力電力に切り換え、さらに出力電圧Ｖの値が所定の復帰電圧Ｖ７以上になった時、センサー部９からの信号により充電制御部６への出力を回路切り換え制御部７にて再開することで安定した外部負荷電力を供給することが可能となる。
【００１７】
ここで、Ｖ６、Ｖ７の関係は下記式（２）、式（３）および式（４）による。
Ｖ６ ≦ Ｖ７ （２）
Ｖ３ ≦ Ｖ７ （３）
Ｖ４ ≦ Ｖ６ （４）
さらに、直直流変換器３の出力電圧Ｖ１と二次電池出力電圧Ｖ２の関係を、Ｖ１＞Ｖ２となるように設定する。
【００１８】
上記燃料電池装置の回路切り換え制御部７の回路切り換えアルゴリズムを図４に示す。
【００１９】
上記のごとく構成された燃料電池装置は、直直流変換器３は１系統出力の構成となり、直直流変換器３の出力電圧Ｖ１より二次電池出力電圧Ｖ２が低いため充電制御部６の構成が簡素になり、二次電池５からの出力電力が直直流変換器３を介さないため電力の損失が低減される。
【００２０】
なお、上記燃料電池装置で用いた直直流変換器３に換え、直交流変換器を用いても構わない。
【００２１】
（実施の形態２）
図５に本発明の他の実施の形態である燃料電池本体を用いた燃料電池装置の概略構成図を示す。実施の形態１に用いた構成の燃料電池装置において、補器２として燃料電池本体１への空気を供給するファンを用いた場合、出力電圧Ｖの値をモニターするセンサー部９からの信号によりファンの回転数を制御する補器出力制御部１２を設け、外部負荷が大きく燃料電池本体１の出力電圧Ｖの値が小さい時は補器出力制御部１２によりファンの回転数を大きくし、外部負荷が小さく燃料電池本体１の出力電圧Ｖの値が大きい時は補器出力制御部１２によりファンの回転数を小さくする。
【００２２】
このように構成された燃料電池装置は、低負荷時で燃料電池本体１が大量に空気を必要としない場合、ファンの回転数を落とし無駄な電力の損失を低減し、また高負荷時の燃料電池本体１が大量の空気を必要とする場合、ファンの回転数を上げ十分な発電を行うことを可能とする。
【００２３】
（実施の形態３）
図６は本発明の他の実施の形態である燃料電池本体を用いた燃料電池装置を表す概略構成図である。実施の形態１に用いた構成の燃料電池装置において、補器２として燃料電池本体１へ空気を供給するファン１およびファン２が設定され、燃料電池本体１の出力電圧Ｖが所定の電圧Ｖ４で、センサー部９による信号に基づいてファン１、ファン２の駆動出力先を直直流変換器３の出力と二次電池５の出力に切り換える機能を有した回路切り換え制御部７が設定されている。
【００２４】
燃料電池本体１の出力電圧Ｖの値が所定の電圧Ｖ４以上の場合、ファン１、ファン２の駆動は直直流変換器３の出力電圧Ｖ１で直列で駆動される。また、出力電圧Ｖの値が所定の電圧Ｖ４以下になった場合は、二次電池５からの出力電圧Ｖ２でファン１、ファン２は各々並列に駆動される。
【００２５】
上記のごとく構成された燃料電池装置は、ファンを直直流変換器３の出力電圧Ｖ１で駆動する場合と、二次電池５からの出力電圧Ｖ２で行う場合で、ファン一個当たりの駆動電圧の変化を最小限に抑えられるため、ファンの空気供給能力を維持することが可能になる。
【００２６】
但し、直直流変換器出力電圧Ｖ１と二次電池出力電圧Ｖ２にはＶ１＞Ｖ２の関係となるように設定を行う。
【００２７】
なお、上記燃料電池装置で用いた直直流変換器３に換え、直交流変換器を用いても構わない。
【００２８】
【発明の効果】
以上のように本発明の燃料電池装置の構成とすることにより、外部負荷急変時においても安定した外部負荷出力が得られる、簡素で安価で高効率なシステムの提供を実現できるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態の固体高分子型燃料電池を用いた電源システムの概略構成図
【図２】従来の電源システムの概略構成図
【図３】従来の電源システムの概略構成図
【図４】出力電圧Ｖに基づく回路切り換えアルゴリズムを示す図
【図５】本発明の一実施の形態の固体高分子型燃料電池を用いた電源システムの概略構成図
【図６】本発明の一実施の形態の固体高分子型燃料電池を用いた電源システムの概略構成図
【符号の説明】
１ 燃料電池本体
２ 補器
３ 直直流変換器
４ 外部負荷出力端子
５ 二次電池
６ 充電制御部
７ 回路切り換え制御部
８ 制御スイッチ
９ センサー部
１０ 電池保護スイッチ１
１１ 電池保護スイッチ２
１２ 補器出力制御部

Claims (4)

  1. 燃料電池本体と、前記燃料電池本体から出力される直流電力を所定の電圧Ｖ１の直流または交流電力に変換する直直流変換器あるいは直交流変換器と、外部負荷出力端子と、燃料電池装置の駆動に必要な補器と、前記燃料電池本体の出力が不足しているときに前記燃料電池装置の駆動に必要な補器を駆動する出力電圧Ｖ２の二次電池と、前記二次電池の充電を制御する充電制御部と、前記直直流変換器あるいは直交流変換器からの出力電力を前記外部負荷出力端子および前記燃料電池装置の駆動に必要な補器および前記充電制御部への供給を制御しかつ、前記二次電池からの出力電力の供給を制御する回路切り換え制御部とからなる燃料電池装置であって、前記直直流変換器あるいは直交流変換器後の出力電圧Ｖ１と前記二次電池出力電圧Ｖ２の関係がＶ１＞Ｖ２になるように設定し、かつ外部負荷急変時に前記燃料電池本体の出力電圧Ｖが所定の電圧Ｖ３以下になったとき前記充電制御部への出力を停止し、さらに前記燃料電池本体の出力電圧Ｖが低下し所定の電圧Ｖ４以下になったとき前記燃料電池装置の駆動に必要な補器への出力を前記直直流変換器あるいは直交流変換器の出力から二次電池の出力に切り換えることを特徴とする燃料電池装置。
  2. 燃料電池本体と、前記燃料電池本体から出力される直流電力を所定の電圧Ｖ１の直流または交流電力に変換する直直流変換器あるいは直交流変換器と、外部負荷出力端子と、燃料電池装置の駆動に必要な補器と、前記燃料電池本体の出力が不足しているときに前記燃料電池装置の駆動に必要な補器を駆動する出力電圧Ｖ２の二次電池と、前記二次電池の充電を制御する充電制御部と、前記直直流変換器あるいは直交流変換器からの出力電流を前記外部負荷出力端子および前記燃料電池装置の駆動に必要な補器および前記充電制御部への供給を制御しかつ前記二次電池からの出力電力の供給を制御する回路切り換え制御部とからなる燃料電池装置であって、前記直直流変換器あるいは直交流変換器後の出力電圧Ｖ１と前記二次電池出力電圧Ｖ２の関係がＶ１＞Ｖ２になるように設定し、かつ外部負荷急変時に前記燃料電池本体の出力電圧Ｖが所定の電圧Ｖ３以下になったとき前記充電制御部への出力を停止し、さらに前記燃料電池本体の出力電圧Ｖが低下し所定の電圧Ｖ４以下になったとき前記燃料電池装置の駆動に必要な補器への出力を前記直直流変換器あるいは直交流変換器の出力から二次電池の出力に切り換え、また、前記燃料電池本体の出力電圧Ｖが所定の復帰電圧Ｖ６以上になったとき前記充電制御部への出力を再開し、前記燃料電池本体の出力電圧Ｖが復帰電圧Ｖ７以上になったとき前記燃料電池装置の駆動に必要な補器への出力を再開することを特徴とする燃料電池装置。
  3. 前記燃料電池本体の出力電圧Ｖに基づいて、前記燃料電池の駆動に必要な補器の補器出力の値を、出力電圧Ｖが所定電圧より低い時は大きく、所定電圧より高い時は小さくする請求項１あるいは２に記載の燃料電池装置。
  4. 上記燃料電池装置において、前記燃料電池装置の駆動に必要な補器が複数であり、駆動する複数の補器を前記直直流変換器あるいは直交流変換器後の出力で駆動する場合は直列で駆動し、二次電池出力で駆動する場合は各々並列に駆動することを特徴とする請求項１あるいは２に記載の燃料電池装置。
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