(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
外部から電源供給を受けることなく起動し、発電できるように構成された燃料電池において、前記燃料電池によって発電された電力の一部を前記燃料電池の単独発電に必要な補機に供給可能にする補機用電源であって、
前記燃料電池によって発電された電力の一部について電圧の変換を行う補機用ＤＣ／ＤＣコンバータと、
前記補機用ＤＣ／ＤＣコンバータの出力によって充電される起動用電池と、
前記補機用ＤＣ／ＤＣコンバータを通過する前記燃料電池からの電力を前記燃料電池の起動初期に制御する入力電流制限機構と、
を備えることを特徴とする燃料電池の補機用電源。
【請求項２】
前記入力電流制限機構は前記燃料電池の発電電圧に基づいて前記ＤＣ／ＤＣコンバータを通過する電力を制御することを特徴とする請求項１記載の燃料電池の補機用電源。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は燃料電池の運転の維持に必要な補機類へ電力を供給する補機用電源に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、燃料電池本体、蓄電池、燃料供給源、制御器等を備え、燃料電池本体で発生した電力を外部負荷に供給した後の余剰電力を蓄電池に蓄え、燃料電池本体で発生した電力が不足の場合に蓄電池から電力を補って外部負荷に供給する燃料電池が知られている。
このような燃料電池は、土木建築工事用電源、家庭用非常電源等として多くの期待が集められている。
【０００３】
燃料電池には酸性型燃料電池とアルカリ型燃料電池があるが、酸性型燃料電池の１つである固体高分子形燃料電池の特徴を次に説明する。
固体高分子形燃料電池は、図４に示すように、電解質０１に高分子イオン交換膜（例えば、スルホン酸基を持つフッ素樹脂系イオン交換膜）を用い、その両側に触媒電極（例えば、白金等）０２，０３及び集電体０４，０５を具備した電極接合体０６の構成からなっている。
【０００４】
そして、アノード極側に供給された加湿燃料中の水素は、触媒電極（アノード極）０２上で水素イオン化され、この水素イオンは電解質０１中を水の介在のもとＨ＋  ・ｘＨ２  Ｏとして、カソード極側へ水と共に移動する。この移動した水素イオンは、触媒電極（カソード極）０３上で酸化剤（例えば、空気）中の酸素及び外部回路０７を流通してきた電子と反応して水を生成する。この生成水はカソード極０３，０５より残存酸化剤に搬送されて燃料電池外へ排出されることになる。この時、外部回路０７を流通した電子の流れを直流の電気エネルギーとして利用することができる。
【０００５】
なお、電解質０１となる高分子イオン交換膜において、前述のような水素イオン透過性を実現させるためには、この高分子イオン交換膜を常に充分なる保水状態に保持しておく必要があり、例えば燃料又は酸化剤に燃料電池の運転温度（常温〜１００℃程度）近傍相当の飽和水蒸気を含ませて、すなわち加湿して燃料及び酸化剤を電極接合体０６に供給し、膜の保水状態を保つようにしている。また燃料電池は運転中に発熱するので冷却する必要もある。
【０００６】
一方、アルカリ形燃料電池の場合は、電解質中を水酸イオンが移動してアノード極上で燃料ガス（水素ガス）と反応して水を生成する。この生成水はアノード極より残存燃料ガスに搬送されて燃料電池外へ排出されることになる。
【０００７】
図５は、燃料電池本体へ燃料の水素および酸化剤としての空気を供給して発電する燃料電池の説明図である。
図５において、燃料の水素を充填した燃料ガスボンベ１から手動栓２、高圧から低圧に圧力調整するレギュレータ３、電磁弁４、４、前記低圧から燃料電池本体への供給圧力まで圧力調整するレギュレータ５を経て燃料電池本体６のアノード極に供給された水素ガスは、ファン７により燃料電池８の外部から取り入れて燃料電池本体６のカソード極に送られた空気と燃料電池本体６内で前記電気化学反応を行って発電し、反応しなかった少量の排水素と排空気は燃料電池８の外部に排出される。燃料電池本体６のアノード極には水素と共に水が供給される。１０は水溜め１１から水を汲み上げて燃料電池本体６に供給するための水ポンプであり、水は循環して使用するようになっている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
燃料電池本体６の起動時には、先ず、燃料電池８に備えた図示しない起動用電池から電力を補機（電磁弁４、ファン７など）に送って燃料電池本体６を起動させ、次いで補機への電力供給を前記起動用電池から燃料電池８に備えた図示しない補機用ＤＣ／ＤＣコンバータに切り替えて燃料電池本体６から補機への電力供給を開始する。
しかし、起動後しばらくの間は燃料電池本体６の温度が低く発電能力が低いので、補機動力を賄えない場合が生じることがあり、このような場合は燃料電池本体６の電圧が低下して起動動作が継続できなくなる。
本発明の目的は、燃料電池本体６の電圧低下などを起こさないでスムースに起動させることができる燃料電池の補機用電源を提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
すなわち、上記課題を解決するため請求項１の発明は、外部から電源供給を受けることなく起動し、発電できるように構成された燃料電池において、前記燃料電池によって発電された電力の一部を前記燃料電池の単独発電に必要な補機に供給可能にする補機用電源であって、前記燃料電池によって発電された電力の一部について電圧の変換を行う補機用ＤＣ／ＤＣコンバータと、前記補機用ＤＣ／ＤＣコンバータの出力によって充電される起動用電池と、前記補機用ＤＣ／ＤＣコンバータを通過する前記燃料電池からの電力を前記燃料電池の起動初期に制御する入力電流制限機構と、を備えることを特徴とするものである。
補機用ＤＣ／ＤＣコンバータに入力電流制限機能を設け、起動初期における燃料電池の特性低下時に燃料電池からの補機への出力を制限することによって、燃料電池の負荷を下げ、燃料電池の異常な電圧低下を防ぐことができるので、運転を継続できる。
【００１０】
本発明の請求項２の発明は、請求項１記載の燃料電池の補機用電源において、前記入力電流制限機構は前記燃料電池の発電電圧に基づいて前記ＤＣ／ＤＣコンバータを通過する電力を制御することを特徴とする。
例えば、制御装置は燃料電池の電圧を監視し、その電圧が低下したとき補機用ＤＣ／ＤＣコンバータの電流制限値を下げる設定信号を出力するようにする。制御装置から設定信号を出力することにより最適な設定が行える。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づいて本発明の一実施形態を説明する。
図１は、本発明の燃料電池の補機用電源を備えた燃料電池の一実施例を示す説明図であり、図２は、本発明の燃料電池の補機用電源を説明する説明図であり、図３は、燃料電池本体の電圧と制御装置からの入力電流制限設定値との関係の例を示すグラフである。
【００１２】
図１において、燃料電池８は、ケース１２中に燃料ガスボンベ１が起立状態で収納してある。ケース１２の後部の上段には図示しない起動用電池２５や補機用ＤＣ／ＤＣコンバータ２３などを備えた制御装置１３などが収納されており、中段には燃料の水素と酸化剤としての空気が供給されて電気化学反応させることにより発電する燃料電池本体６が収納されており、下段にはＤＣ／ＡＣインバータ１４および水溜め１１などが収納されている。
【００１３】
燃料の水素は燃料ガスボンベ１から、図示しない高圧から低圧に圧力調整するレギュレータ３、低圧から燃料電池本体６への供給圧力まで圧力調整するレギュレータ５を経て圧力調整された後、電磁弁４を経て、燃料電池本体６のアノード極に供給される。燃料電池本体６のアノード極に供給された水素ガスは、ファン７によりケース１２の外部から反応空気取入口１５を経てケース１２内に取り入れて燃料電池本体６のカソード極に送られた空気と燃料電池本体６内で前記電気化学反応を行って発電し、反応しなかった少量の排水素と排空気はケース１２の外部に排出される。
【００１４】
燃料電池本体６のアノード極へ管路９から水素が供給されるとともに水が供給される。１０は水溜め１１から水を汲み上げて燃料電池本体６に供給するための水ポンプであり、水は循環して使用するようになっている。
１６は燃料電池本体６からでる排空気をケース１２外へ放出するための排気ダクトてある。排気ダクト１６で分離された水分は排水タンク１７内に集落して、一旦蓄えられ、排水管１８を経て外部に排水される。
【００１５】
図２において、本発明の燃料電池の補機用電源２１は、電圧検出器２２、補機用ＤＣ／ＤＣコンバータ２３、制御装置１３、起動用電池２５、電池２５の充電回路３０、充電器３１、商用電源に接続されるプラグ３２、およびこれらを接続するラインなどを具備しており、そして、電圧検出器２２、補機用ＤＣ／ＤＣコンバータ２３、制御装置１３が直列に配置されており、補機用ＤＣ／ＤＣコンバータ２３と制御装置１３を接続するライン２４に補機用ＤＣ／ＤＣコンバータ２３と並列に起動用電池２５が接続されている。
３３は燃料電池本体６の発電した電力を２８０Ｖの直流電圧まで上げるＤＣ／ＤＣコンバータ、３４は２８０Ｖの直流電圧を１００ＶのＡＣ電力に変換するＤＣ／ＡＣコンバータ、３５は同コンバータで生じる高調波成分を低減させかつ直流成分を除却するトランスである。
【００１６】
例えば燃料電池本体６の起動初期における特性低下時に、燃料電池本体６の電圧を検知する電圧検出器２２により電圧を検出して信号をライン２６を経て制御装置１３へ送り、この制御装置１３からライン２７を経て設定信号を補機用ＤＣ／ＤＣコンバータ２３に送ってＤＣ／ＤＣコンバータ２３を通過する電力を制限することによって、燃料電池本体６の負荷を下げ、燃料電池本体６の過負荷による異常な電圧低下を防ぐことができる。
起動用電池２５は、例えば正極にニッケル電極を用い負極にカドミウム電極を用いたＮｉ−Ｃｄ２次電池（１２Ｖ−４０Ａｈ）である。補機用ＤＣ／ＤＣコンバータ２３は、燃料電池本体６からの直流電力の電圧（ＤＣ２４〜５０Ｖ）を所定の電圧（例えばＤＣ１４Ｖ）に変換するものであり、この例では制御装置１３からの信号によって補機用ＤＣ／ＤＣコンバータ２３のチョッピングのデューテイが可変制御される。このＯＮデューテイが０％では通過電力が０になり、ＯＮデューテイを大きくすることによって通過電力が大きくなる。
【００１７】
図３に、制御装置１３からの設定信号の例を示したように、燃料電池本体６の起動初期において、電圧検出器２２により検出した燃料電池本体６の電圧が０〜所定のａ値（例えば２４Ｖ）までの範囲においては、ＤＣ／ＤＣコンバータ２３のＯＮデューテイが０％であり、補機への電力は全て起動用電池２５から送られる。燃料電池本体６の電圧がａ〜ｂ値の範囲においては、補機への電力は起動用電池２５と燃料電池本体６から送るようにするが、直線ｃで示したように燃料電池本体６からの電力を電圧に対して比例的に増加させるようＤＣ／ＤＣコンバータ２３のＯＮデューテイを増加させる。そして、燃料電池本体６の電圧がｂ値に達した時に、全て補機用ＤＣ／ＤＣコンバータ２３に切り替えて、燃料電池本体６のみから補機へ電力を供給し、ｂ〜ｄ値の範囲で燃料電池本体６から補機へ設定値ｅに対応する所定の電力を供給する。
具体的にはＤＣ／ＤＣコンバータ２３の出力電圧が起動用電池２５の定格電圧（２４Ｖ）より１〜２Ｖ程度高くなるようにＯＮデューテイを設定する。
【００１８】
なお、本発明は上記実施例に限定されるものではないので、特許請求の範囲に記載の趣旨から逸脱しない範囲で各種の変形実施が可能である。また対象燃料電池も固体高分子形に限定されるものではない。
【００１９】
【発明の効果】
本発明の燃料電池の補機用電源は、補機用ＤＣ／ＤＣコンバータに入力電流制限機能を設け、起動初期における燃料電池の特性低下時に燃料電池からの補機への出力を制限することによって、燃料電池の負荷を下げ、燃料電池の異常な電圧低下を防ぐことができるので、運転を継続できる。
電流制限値を制御装置から設定する場合、制御装置は燃料電池の電圧を監視してその電圧が低下したとき補機用ＤＣ／ＤＣコンバータの電流制限値を下げる設定信号を出力するようにすることにより最適な設定が行える。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の燃料電池の補機用電源を備えた燃料電池の一実施例を示す説明図である。
【図２】本発明の燃料電池の補機用電源を説明する説明図である。
【図３】燃料電池本体の電圧と制御装置からの入力電流制限設定値との関係の例を示すグラフである。
【図４】固体高分子形燃料電池の特徴を示す説明図である。
【図５】水素および空気を供給して発電する燃料電池の説明図である。
【符号の説明】
１  燃料ガスボンベ
４  電磁弁
６  燃料電池本体
７  ファン
８  燃料電池
１３  制御装置
２１  燃料電池の補機用電源
２２  電圧検出器
２３  補機用ＤＣ／ＤＣコンバータ
２５  起動用電池
【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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