(57)【要約】【課題】一時的に生じる電力不足を解消することができる燃料電池システムを提供することを課題とする。【解決手段】燃料電池システム１０は、端子２４、２５へ外部から給電するために準備するキャパシタ３０と、燃料ガスの供給圧力を監視するガス圧検出部２０と、このガス圧検出部２０で検出したガス圧力が要求ガス圧力を下回っているときにその圧力差に応じた電流をキャパシタ３０から端子２４、２５へ給電するように制御する制御部４０とを備える。【効果】燃料電池システム１０から生み出される電力量が一時的に不足した場合でも、不足電力量をキャパシタ３０から与えられる電力で補うことができるため、一時的に生じる電力不足を解消することができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料極へ燃料ガスを供給し、空気極へ空気を供給し、この空気に含まれる酸素成分と前記燃料ガスに含まれる水素成分とを反応させて、一対の端子から電気エネルギーを得ることができる燃料電池システムにおいて、
この燃料電池システムに、前記端子へ外部から給電するために準備する補助給電装置と、前記燃料ガスの供給圧力を監視するガス圧検出部と、このガス圧検出部で検出したガス圧力が、要求ガス圧力を下回っているときにその圧力差に応じた電力を前記補助給電装置から前記端子へ給電するように制御する制御部と、が付設されていることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記補助給電装置は、二次電池又はキャパシタであることを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、空気に含まれる酸素成分と燃料ガスに含まれる水素成分とを反応させて、一対の端子から電気エネルギーを得ることができる燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
地球環境の保護が求められ、炭酸ガスの排出を伴わない燃料電池システムが実用に供されている（例えば、特許文献１参照。）。
【特許文献１】特開２００４−２３５０９３公報
【０００３】
特許文献１を次図に基づいて説明する。
図６は従来の技術の基本原理を説明する図であり、燃料電池システム１００は、発電セル１０１の左側に位置する燃料極１０２に燃料ガスに含まれる水素Ｈ２を供給し、発電セル１０１の右側に位置する空気極１０３に空気に含まれる酸素Ｏ２を供給することで、発電セル１０１に連結された端子１０４、１０５を介して外部装置に電力を与えるシステムである。
【０００４】
図７は燃料電池システムの出力電流と燃料ガス圧力の相関を示すグラフであり、横軸に燃料ガス圧力Ｐ、縦軸に出力電流Ｉを示す。ところで、電力は電圧を一定値とすれば電流に比例するので、以降の説明では燃料電池システム（図６の符号１００）の電力を出力電流Ｉに置き換えて述べる。燃料電池システムでは、出力電流Ｉと燃料ガス圧力Ｐは比例関係にあるので、高い出力電流Ｉが要求されるときには燃料ガス圧力Ｐをガス圧力センサ（図６の符号１０６）で確認して上昇させる必要がある。
【０００５】
図８は燃料電池システムの燃料ガス圧力の変化を示すグラフであり、横軸に時間Ｔ、縦軸に燃料ガス圧力Ｐを示す。実線は、燃料ガス圧力の設定値をプロットして線図にした設定線図である。一方、実際の燃料ガス圧力を測定すると、燃料ガス圧力は諸般の事情により設定値よりも時間ＴＬだけ遅れて破線で示すように上昇する線図で示される。すなわち、実際の燃料ガス圧力は設定値よりも圧力ＰＳだけ不足するので、その不足分だけ出力電流（図７参照）も足りなくなる。これでは、一時的な電力不足を招く。
【０００６】
そのため、一時的な電力不足を解消することができる燃料電池システムの開発が求められる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、一時的に生じる電力不足を解消することができる燃料電池システムを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
請求項１に係る発明は、燃料極へ燃料ガスを供給し、空気極へ空気を供給し、この空気に含まれる酸素成分と前記燃料ガスに含まれる水素成分とを反応させて、一対の端子から電気エネルギーを得ることができる燃料電池システムにおいて、この燃料電池システムに、前記端子へ外部から給電するために準備する補助給電装置と、前記燃料ガスの供給圧力を監視するガス圧検出部と、このガス圧検出部で検出したガス圧力が、要求ガス圧力を下回っているときにその圧力差に応じた電力を前記補助給電装置から前記端子へ給電するように制御する制御部と、が付設されていることを特徴とする。
【０００９】
請求項２に係る発明では、補助給電装置は、二次電池又はキャパシタであることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
請求項１に係る発明では、制御部は、ガス圧検出部で検出した燃料ガスの供給圧力が要求ガス圧力を下回っているときに、その圧力差に応じた電力を燃料電池の端子へ給電するように補助給電装置を制御するので、燃料電池システムから生み出される電力量が一時的に不足した場合でも電力量の不足分を補助給電装置から与えられる電力で補うことができる。そのため、一時的に生じる電力不足を解消することができる燃料電池システムを提供することができる。
【００１１】
請求項１によれば、一時的に生じる電力不足を解消することができる燃料電池システムを提供することができる。
【００１２】
請求項２に係る発明では、補助給電装置は、二次電池又はキャパシタであるので、電気エネルギーの蓄えや放出を繰り返し実施することができる。そのため、一次電池よりも長く使用することができる補助給電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】
【００１３】
本発明を実施するための最良の形態を添付図に基づいて以下に説明する。なお、図面は符号の向きに見るものとする。また、以下では補助給電装置をキャパシタを例にして説明する。
【００１４】
図１は本発明に係る燃料電池システムの原理図であり、燃料電池システム１０は、発電セル１１（詳細後述）を備えている燃料電池１２と、この燃料電池１２の左側に接続され燃料ガスを燃料電池１２に供給する燃料ガス供給系１３と、この燃料ガス供給系１３に設けられ燃料ガスの供給圧力を監視するガス圧検出部２０（詳細後述）と、燃料電池１２の右側に接続され空気を燃料電池１２に供給する空気供給系２１とを備えている。
【００１５】
発電セル１１は、燃料ガス供給系１３で供給される燃料ガス中の水素Ｈ２が接触する燃料極２２と、空気供給系２１で供給される空気中の酸素Ｏ２が接触する空気極２３とを有する。燃料極２２に水素Ｈ２が接触し、空気極２３に酸素Ｏ２が接触することで、極２２、２３に電気的に繋がっている端子２４、２５から電気エネルギーを得ることができる。
【００１６】
なお、供給された燃料ガスのうち、使われなかった分は燃料ガス戻し系２６で戻される。供給された空気のうち、使われなかった分は空気戻し系２７で戻される。
また、発電セル１１は、通常複数のセルを組み立てた状態で用いられるが、ここでは説明の便宜上１つとした。
【００１７】
加えて、燃料電池システム１０では、一対の端子２４、２５に電流制御器２８を介してキャパシタ３０が連結されている。また、キャパシタ３０は端子２４、２５へ外部から給電するために準備した蓄電装置である。キャパシタ３０は、電気エネルギーの蓄えや放出を繰り返し実施することができるので、一次電池よりも長く使用することができる。
【００１８】
キャパシタ３０へ適宜電気エネルギーを補充する必要がある。そこで発電機３１でキャパシタ３０を充電できるようにする。なお、発電機３１は常用電源であってもよい。
【００１９】
燃料電池システム１０には、ガス圧検出部２０で検出した燃料ガス圧力が要求燃料ガス圧力を下回っているときにその圧力差に応じた出力電流（詳細後述）をキャパシタ３０から端子２４、２５へ流すように電流制御器２８を制御する制御部４０（詳細後述）と、この制御部４０に連結されガス圧力と時間の関係並びに出力電流と時間の関係を示したマップ（詳細後述）を保存している記憶部４１とが設けられている。３２は燃料室、３３は空気室、３４は電解質膜、３５、３６はセパレータである。
【００２０】
図２はガス圧力マップ及び出力電流マップを説明する図であり、（ａ）に示す時間Ｔとガス圧力Ｐの関係を示すマップと、（ｂ）に示す時間Ｔと出力電流Ｉの関係を示すマップとを記憶部（図１の符号４１）に保存する。
【００２１】
先ず、目標電流値Ｉａが与えられたら、この目標電流値Ｉａを（ｂ）の縦軸に与えて横線４４を引く。この横線４４が曲線４５に交差したら、点４６から縦線４７を引く。この縦線４７が（ａ）の曲線４８に交差したら、そのときのガス圧力Ｐｂが決定する。また、縦線４７と横軸の交点４９は時間Ｔ１であった。
【００２２】
すなわち、ガス圧力がＰｂであれば、出力電流Ｉａを得ることができる。逆に目標電流値Ｉａを発生するにはガス圧力がＰｂになることが必須となる。また、時間Ｔ１におけるガス圧力はＰｂで、発生する出力電流はＩａである。
【００２３】
制御部（図１の符号４０）では、以上の要領でマップを利用して出力電流Ｉ、時間Ｔ、ガス圧力Ｐの相関を演算させる。
なお、ガス圧力Ｐｂは、ガス圧設定値と定義して以降の説明を行う。
【００２４】
以上に説明したマップに基づいて電流補正量を算出する方法を次に説明する。
図３は圧力差から電流補正量を算出する方法を説明する図であり、図２のマップを（ａ）、（ｂ）に再掲した。
【００２５】
時間Ｔ１におけるガス圧力Ｐを測定した。測定したガス圧測定値Ｐｃは、ガス圧設定値Ｐｂより小さかった。すなわち、（Ｐｂ−Ｐｃ）の圧力差が存在した。そこで（ａ）に矢印（１）のように横線を加え、（ｂ）に矢印（２）のように縦線を加えた。ガス圧測定値Ｐｃに対応する出力電流はＩｃであった。このＩｃを算出電流値と定義する。
【００２６】
（ｂ）において、時間Ｔ１における目標電流値はＩａであり、実際の出力電流はＩａより小さなＩｃであるから、（Ｉａ−Ｉｃ）が電流補正量となる。この（Ｉａ−Ｉｃ）を外から加える必要がある。
【００２７】
図１において、燃料電池システム１０では、制御部４０は、ガス圧検出部２０で検出したガス圧測定値（ガス圧力）がガス圧設定値（要求ガス圧力）を下回っているときに、その圧力差に応じた出力電流の補正量を燃料電池１２の端子２４、２５へ給電するようにキャパシタ３０を制御するので、燃料電池システム１０から生み出される電力量が一時的に不足した場合でも電力量の不足分をキャパシタ３０から与えられる電力で補うことができる。そのため、一時的に生じる電力不足を解消することができる燃料電池システム１０を提供することができる。
【００２８】
よって、一時的に生じる電力不足を解消することができる燃料電池システム１０を提供することができる。
【００２９】
これまでの説明では、燃料電池システムの構成を概略として説明してきたが、次により詳細な燃料電池システムの構成を説明する。
【００３０】
図４は本発明に係る燃料電池システムの構成図であり、前述の構成に追加した内容を図１の符号を流用して説明する。燃料ガス供給系１３は、燃料ガス供給配管５１を介して燃料電池１２に接続され燃料ガスを保有している燃料ガス容器５２と、この燃料ガス容器５２よりも右側の燃料ガス供給配管５１に設けられ燃料ガスの流量を調整する供給ガス調整弁５３と、この供給ガス調整弁５３よりも右側の燃料ガス供給配管５１に設けられ燃料極２２に燃料ガスを供給するエジェクタ５４とを備えている。
【００３１】
また、燃料ガス戻し系２６は、供給された燃料ガスのうち使われなかった分を燃料室３２からエジェクタ５４へ戻すために設けた燃料ガス戻し配管４２を備えている。
【００３２】
加えて、空気供給系２１は、空気供給配管５５を介して燃料電池１２に接続され空気極２３に空気を供給するエアブロワ５６と、このエアブロワ５６と空気室３３の間の空気供給配管５５に設けられ空気の供給圧力を監視する空気圧検出部５７とを備えている。
さらに、空気戻し系２７は、空気戻し配管５８を備え、この空気戻し配管５８には空気調整弁５９が設けられている。
【００３３】
そして、端子２４、２５には、インバータ６１を介して電動モータ４３が接続されている。６２はダイオード、６３は目標電流値入力部である。次に、制御部４０の詳細構成を説明する。
【００３４】
図５は本発明の制御部の構成図であり、制御部４０は、目標電流値入力部６３（詳細後述）に繋がっていると共に記憶部４１に繋がっているガス圧設定部６４（詳細後述）と、このガス圧設定部６４に繋がっているガス圧力差算出部６５（詳細後述）と、このガス圧力差算出部６５に繋がっている電流算出部６６（詳細後述）と、この電流算出部６６に繋がっている電流補正量算出部６７（詳細後述）とで構成される。次に、各部の役割を説明する。
【００３５】
目標電流値入力部６３は、作業者が目標電流値Ｉａ（図２参照）を入力するための機器である。
また、記憶部４１は、ガス圧力マップ（図２（ａ）参照）及び出力電流マップ（図２（ｂ）参照）を保存している機器である。
【００３６】
加えて、図２で説明したように、ガス圧設定部（図５の符号６４）は、入力された目標電流値Ｉａから、ガス圧力マップに基づいてガス圧設定値Ｐｂを求める機器である。
【００３７】
また、図３（ａ）で説明したように、ガス圧力差算出部（図５の符号６５）は、ガス圧力マップに基づいて、燃料ガスの圧力差（Ｐｂ−Ｐｃ）を求める機器である。
【００３８】
さらに、図３（ｂ）で説明したように、電流算出部（図５の符号６６）は、ガス圧測定値Ｐｃに対応する算出電流値Ｉｃを出力電流マップに基づいて求める機器である。
また、電流補正量算出部（図５の符号６７）は、出力電流マップに基づいて、出力電流の補正量（Ｉａ−Ｉｃ）を求める機器である。
【００３９】
尚、本発明の圧力差に応じた電力は、実施の形態では出力電流を用いて説明したが、電圧又は電力を用いてもよい。
また、本発明に係る補助給電装置は、実施の形態ではキャパシタを適用したが、二次電池又はその他に電力を供給できる機器であれば適用可能であり、一般の電力供給機器を適用することは差し支えない。
【産業上の利用可能性】
【００４０】
本発明の燃料電池システムは、発電装置に好適である。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明に係る燃料電池システムの原理図である。
【図２】ガス圧力マップ及び出力電流マップを説明する図である。
【図３】圧力差から電流補正量を算出する方法を説明する図である。
【図４】本発明に係る燃料電池システムの構成図である。
【図５】本発明の制御部の構成図である。
【図６】従来の技術の基本原理を説明する図である。
【図７】燃料電池システムの出力電流と燃料ガス圧力の相関を示すグラフである。
【図８】燃料電池システムの燃料ガス圧力の変化を示すグラフである。
【符号の説明】
【００４２】
１０…燃料電池システム、１１…発電セル、１２…燃料電池、１３…燃料ガス供給系、２０…ガス圧検出部、２１…空気供給系、２２…燃料極、２３…空気極、２４、２５…端子、２６…燃料ガス戻し系、２７…空気戻し系、３０…キャパシタ（補助給電装置）、３１…発電機、４０…制御部、６３…目標電流値入力部、６４…ガス圧設定部、６５…ガス圧力差算出部、６６…電流算出部、６７…電流補正量算出部。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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