(57)【要約】【課題】  小型、簡略、低コストの燃料電池システムの運転制御装置を提供する。【解決手段】  燃料電池を、電力利用の要求負荷に対応じて、あるいは併用する電池からの一定負荷要求に応じて運転することなく、燃料電池の発電能力に応じて発電し、発電能力の変動を２次電池で吸収、平滑化するものであり、このために、燃料電池の出力電圧、あるいは出力電圧の時間的変化を負荷制御用入力信号の一つとして用いる。【選択図】      図１
2006120442.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池と、
該燃料電池の出力電力を変換して外部に供給する電力変換器と、
該電力変換器を制御する制御回路と、
を備え、
該制御回路が前記電力変換器の出力電力を前記燃料電池の発電能力に応じた出力電力とすることを特徴とする燃料電池の運転制御装置。
【請求項２】
前記制御回路が前記燃料電池の負荷制御用入力信号の少なくとも一つを燃料電池出力電圧とし、前記燃料電池出力電力が前記燃料電池の発電能力に応じた出力電力となるように制御することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池の運転制御装置。
【請求項３】
前記制御回路が前記燃料電池出力電力または電流の時間的変化を計測し、該計測結果を前記燃料電池の負荷制御用入力信号に反映させることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池の運転制御装置。
【請求項４】
前記制御回路が燃料電池の出力電流を変化させたときの出力電圧の変化を計測し、該計測結果を前記燃料電池の負荷制御用入力信号に反映させることを特徴とする請求項３に記載の燃料電池の運転制御装置。
【請求項５】
前記請求項１から４に記載された燃料電池の運転制御装置に、２次電池を併用したことを特徴とする燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池の運転制御装置に関し、特に、燃料電池の発電状態における運転制御装置および燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、水素分子を含む燃料から触媒や水蒸気を使って水素分子を抽出し、空気中の酸素と反応させて電気を起こすもので、携帯電話から自動車に至る広い分野での利用が期待されており、その基本構造は広く知られている（例えば、特許文献１、２参照）。
【特許文献１】特表２００２−５０５５１１号公報
【特許文献２】特表平１０−５０７５７２号公報
【０００３】
ところで、２次電池を併用しない燃料電池システムにおいては、要求負荷に応じて燃料電池に燃料を供給し、負荷電流を生成する仕組みが採られていた。また、２次電池を併用し、当該２次電池の出力電圧がある設定レベル以下の場合にのみ燃料電池が作動する燃料電池システムでは、２次電池の電圧が低下したことを検知して燃料電池を一定状態で作動させ、２次電池を充電することが行われていた。
このように、前者は要求負荷に応じて発電することが要求されるのに対し、後者は、２次電池が負荷を平準化する役割を果たしていた。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
燃料電池の発電性能を高めるためには、運転温度を適正に保ち、燃料流量や燃料濃度、空気流量等を適正に制御することが必要であり、このため、燃料ポンプ、空気ブロア、燃料濃度センサ、加熱用ヒータ等をコンピュータ等により適切に制御することになる。
しかしながら、機器を小型化、簡素化、低価格化するために、上記した制御を省略した場合には、例えば、燃料の供給過剰により発電効率が悪化し、一方、燃料の供給が少なくなってしまうと出力電力の減少や電池自体の損傷を招くといった問題が生じる。したがって、適切な制御を行わなければ、発電能力の変動が大きくなり、電力消費者の変動する要求負荷に対応できないばかりでなく、２次電池充電用の一定負荷要求にも対応することができない。
【０００５】
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、燃料電池の発電能力に応じて出力を制御することにより、発電能力を超える要求負荷で燃料電池の性能低下を来たすことなく、発電能力に見合った性能を発揮することのできる燃料電池の運転制御装置を提供することを目的とする。また、発電能力を検知して負荷電流を制御する仕組みを実現することにより、燃料電池としての性能の低下を来たすことなく、上記した大規模な制御設備との代替をはかって低コスト化を実現する燃料電池の運転制御装置および燃料電池システムを提供することも目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記した課題を解決するために本発明は、燃料電池と、該燃料電池の出力電力を変換して外部に供給する電力変換器と、該電力変換器を制御する制御回路とを備え、該制御回路が前記電力変換器の出力電力を前記燃料電池の発電能力に応じた出力電力とすることを特徴とする燃料電池の運転制御装置を提案している。
【０００７】
また、本発明においては、前記制御回路が前記燃料電池の負荷制御用入力信号の少なくとも一つを燃料電池出力電圧とし、前記燃料電池出力電力が前記燃料電池の発電能力に応じた出力電力となるように制御することを特徴とする。
【０００８】
また、本発明においては、前記制御回路が前記燃料電池出力電力または電流の時間的変化を計測し、該計測結果を前記燃料電池の負荷制御用入力信号に反映させることを特徴とする。
【０００９】
また、本発明においては、前記制御回路が燃料電池の出力電流を変化させたときの出力電圧の変化を計測し、該計測結果を前記燃料電池の負荷制御用入力信号に反映させることを特徴とする。
【００１０】
さらに、本発明においては、前記請求項１から４に記載された燃料電池の運転制御装置に、２次電池を併用したことを特徴とする燃料電池システムを提案している。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、燃料電池の発電能力の変動に応じて、発電能力が低い場合は低い出力を、高い場合は高い出力を提供する燃料電池の運転方法を実現でき、このことにより、発電能力を超える負荷要求で燃料電池が特性変化を起こすことなく、発電能力に見合った発電を継続することができる。また、燃料電池は２次電池を充電する役割を担っており、２次電池の出力電圧がある設定値以下の場合に燃料電池を作動させることで過充電を防止することもできる。なお、発電能力を検知して負荷電流を制御することにより、燃料ポンプ、空気ブロア、燃料濃度センサ、加熱用ヒータ等を省略でき、小型、簡略、低コストの燃料電池システム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】
【００１２】
本発明実施形態に係わる燃料電池システムの運転制御装置は、図１に示すように、燃料供給源１と、燃料電池２と、制御部３と、電力変換器４とから構成されている。ここで、電力変換部４は、制御部３からの制御信号に基づいて、燃料電池２の出力電力を変換して、外部負荷５に供給する。また、制御部３は、燃料電池２の出力電力が燃料電池２の発電能力となるように燃料電池２の出力電力を制御する。なお、図２は、２次電池６を併用した燃料電池システムを示している。
【００１３】
図３は、燃料電池の直流出力を昇圧して２次電池な充電するＤＣ−ＤＣコンバータを抽出して示している。
図３において、Ｌは負荷を示すインダクタンス、Ｂは２次電池、Ｄはダイオード、Ｔはトランジスタ（スイッチング素子）、Ｓは制御端子、Ｖｉｎは入力電圧、Ｖｏｕｔは出力電圧、Ｉは燃料電池負荷電流である。    
【００１４】
燃料電池の出力電圧Ｖｍは、トランジスタＴのｏｎ／ｏｆｆにより、２次電池Ｂの電圧Ｖｏｕｔに昇圧される。また、トランジスタＴは、図４にそのタイミング図が示されるように、パルス幅ｔａ、パルス間隔Ｔｂのパルス信号でｏｎ／ｏｆｆされる。パルス幅ｔａは、入力電圧Ｖｉｎの変化に拘わらず、一定の出力電圧Ｖｏｕｔを得るために必要なパラメータであり、Ｖｉｎの値を検知してｔａを出力する演算回路（パルス生成手段）を用いることにより生成される。
【００１５】
一方、パルス間隔ｔｂが決まると燃料電池の負荷電流Ｉが決まる。ｔａの間は電流が流れ、ｔａ−ｔｂの間は電流が流れないため、ｔｂが大きくなるほど平均電流は小さくなる。負荷電流が流れすぎると燃料電池のセル電圧が低下するため、セル電圧があるレベル以下に低下しないように負荷電流を設定し、その負荷電流が得られるようにパルス間隔ｔｂを決めることになる。この場合、負荷電流を計算する必要は無く、燃料電池出力電圧が所定の値より高ければパルス間隔ｔｂを小さくし、所定の値より低ければパルス間隔ｔｂを大きくする制御を行えばよい。また、２次電池Ｂが充電された状態であれば、燃料電池を作動させる必要は無いため、２次電池の出力電圧Ｖｏｕｔがある設定レベル以下の場合のみ燃料電池が作動するように論理積回路を設計することは従来の２次電池と併用する燃料電池システムと同様である。
【００１６】
負荷運転制御のための燃料電池出力電圧と比較するための基準電圧としては、セル電圧０．３（Ｖ）を用いることができる。セルがｎ個直列に接続される燃料電池の場合は、０．３×ｎ（Ｖ）と燃料電池の出力電圧を比較し、その大小によってパルス間隔ｔｂを変化させる（パルス間隔制御手段）。ここで、セル電圧０．３（ｖ）という値を挙げたのは、セル電圧０．３（Ｖ）近くのとき、セルの最高出力が得られるためである。すなわち、０．３（Ｖ）の値で運転することは、セルを最大の発電能力の状態で運転していることを意味する。
【００１７】
０．３（Ｖ）のとき、最大出力が得られる理由について、図５に示すグラフを参照しながら説明する。ここでは、直接形燃料電池セルの電圧−電流特性を示す。
開路電圧は約０．６（Ｖ）で、電流を流すとセル電圧が低下する。温度が低く性能が悪い状態では図中Ａに示す特性、温度や燃料供給状態も良好であれば図中Ｂで示すように特性が向上する。ＡとＢで流すことのできる電流、あるいは取り出せる出力は、大幅に異なるが、それぞれの状態で最大出力が取り出せる電圧は０．３（Ｖ）である。０．３（Ｖ）で運転すれば、それぞれの発電能力に応じた発電が可能になる。
【００１８】
図５に示すセル電圧−電流特性は概略であり、実際には曲線になるため、０．３（Ｖ）が最大になるとは限らない。従って、基準となるセル電圧は、０．３（Ｖ）に限定されず、０．２〜０．４（Ｖ）の範囲の値を基準にしても良い。また、基準とする値をある値に設定することなく、電流や温度を計測してこれらを加味した基準値を求めることもできる。しかしながら、燃料電池の出力電圧は、燃料電池の発電能力を示す最も重要なパラメータであるため、少なくともこれを負荷制御用の入力信号として扱うことが本発明の主旨である。
なお、燃料電池は、運転している間に性能が低下することがあるため、出力電圧の時間的変化を計測し、これを負荷電流の制御に利用することもできる。また、図５は、燃料が十分供給された状態でのセル電圧−電流特性を示した図であるが、燃料が不足するとセル電圧は、電流増加により急激に低下する傾向にあるため、燃料不足に陥らないよう電流変化による出力電圧の変化を計測して負荷電流の制御に利用することもできる。詳細は図８を用いて後述する。
【００１９】
上記したように、本発明は、燃料電池を要求負荷に対応して、あるいは一定負荷で運転することなく、燃料電池の発電能力に応じて発電するために、燃料電池の出力電圧、あるいは出力電圧の時間的変化を負荷制御用入力信号の一つとして用い、発電能力の変動を２次電池で平滑化したものである。なお、本発明における負荷制御とは、電力使用者の負荷要求に対応する負荷制御を意味するものではなく、２次電池を充電するための燃料電池の電流制御を意味している。
【００２０】
一般に、燃料電池システムにおいては、燃料電池に供給する燃料を制御することにより、要求負荷に対応した出力電力を供給するが、このように、燃料電池に供給する燃料を制御する方法では、実際には、クロスオーバー等が生じることにより、要求負荷に対して効率的に、出力電力を供給することができない。
一方で、燃料電池は、その特性として、温度が低い状態では、発電能力が低い。そのため、本発明においては、起動時においては、出力最大とし、通常時においては、効率最大となるような制御を行って、燃料電池の発電能力に応じた発電を実現している。以下にその詳細について説明する。
【００２１】
本発明を適用した燃料電池の起動方法から説明する。起動直後は、燃料電池の温度が低いため発電能力が低く、小さな電流しか流すことができないが、一定の基準電圧、例えば、０．３Ｖを設定し、セル電圧がその電圧になる電流だけ発電するようにすれば発電能力に応じた発電が可能である。そして、発電に伴なって温度が上昇し、それに伴い発電能力が高まり、セル電圧一定の下で発電電流が増加する。発電電流が一定のレベルに達すると、起動過程を終了し、基準電圧を、例えば、０．４Ｖに変更する。
２次電池を併用した従来の燃料電池システムは、２次電池に蓄えられた電気エネルギーで燃料電池を加熱し、燃料電池が所定の温度まで上昇したときに燃料電池を起動する方式をとっていた。このように、起動のエネルギーを２次電池から供給するため、２次電池の容量が大きくなる欠点があった。本発明によれば、燃料電池の燃料を使って燃料電池を昇温させ、かつ、昇温過程においても発電が行われるため、２次電池の容量を小さくできる利点がある。
【００２２】
上記したように、起動過程で、ある基準電圧を負荷電流設定の入力信号とするのは、一定のセル電圧における電流がセルの発電能力を示す最も重要な指標であり、同時にセル電圧は、セルの腐食、劣化等にも関係する重要パラメータであるためである。発電能力を示す指標としては、電圧と電流の積である電力を用いても良い。
電力は、その要素として電圧が含まれるため、請求項２に示す「制御用入力信号の少なくとも一つが燃料電池出力電圧である」ことに含まれる。セル電圧を入力信号の一つとすることなく、セル電圧が不定の状態で燃料電池を運転することは極めて危険である。例えば、電流一定でセル電圧を徐々に上昇させる起動方法を採用することはできない。電流を一定にして運転すると、起動直後は、発電性能が低く、セル電圧が負となり、電極の腐食劣化が進行するためである。起動直後は温度が低いため、温度を入力の一つとして負荷を決める軌道方法も考えられるが、この場合においてもセル電圧を入力の一つとして併用することが必要である。
【００２３】
（第１の実施形態）
ここでは出力電圧を入力の一つとしている。出力電圧の代わりにセル電圧でも良い。また、セルの一部に参照電極を取りつけ、電極電位を検出できる装置の場合は、出力電圧の代わりに電極電位を用いても良い。起動過程と起動終了後で基準出力電圧を変えているのは、起動過程は燃料電池の昇温を早くし、起動終了後は高効率運転を主目的とするためである。起動過程では、発熱量を大きくするのに大きな電流を流すため電圧を低く設定するのが良く、起動終了後は、セル電圧を高く設定して発電効率を高めるため電圧を高く設定するのが良い。
【００２４】
図６は、起動過程の間一つの基準電圧を設定し、セル電圧が基準電圧に等しくなるよう負荷に負荷電流を流す事例を説明しているが、起動過程の基準電圧は一つでなく複数であっても良い。起動過程の後半は、負荷電流が過大になり、燃料供給不足等に陥る恐れが場合等は基準電圧を順次高くすることもできる。また、出力電圧一定で負荷電流を変化させる運転方法を示しているが、負荷電流一定で出力電圧を変化させ、出力電圧がある基準範囲から外れると負荷電流を階段状に変化させる運転方法であっても良い。
【００２５】
（第２の実施形態）
ところで、燃料電池を一定電流Ｉ１で運転していると、出力電圧Ｖ１が時間とともに低下してくることがある。燃料ポンプ、空気ブロア、燃料濃度センサ、あるいはヒータ等を省いた燃料電池では、周囲温度、湿度等の影響を受けてこのような状態に陥りやすい。このままの状態を続けると、セルの発電能力が益々低下し、セルが劣化、損傷し、回復不能な状態に陥る。
このため、出力電圧が時間とともに変化していることを検知して負荷を変えることが考えられる。図７に示されるように、一定電流Ｉ１での出力電圧を連続的、あるいは間欠的に計測し、その値がΔＶだけ低下したときに、負荷電流をＩ２に下げる運転を行っている。負荷電流Ｉ２は、出力電圧時間的低下がないため、そのままの負荷電流で発電を続けている。
【００２６】
ここで、Ｖ１はある時刻において計測された出力電圧であり、その後一定時間経過後計測した出力電圧がΔＶ低いか否かで負荷電流を変化させても良く、また、経過時間とは無関係にΔＶだけ出力電圧が低下したか否かで負荷電流を変化させても良い。ここでは、1回の負荷電流低減で出力電圧低下のない特性が示されているが、負荷電流を段階的に下げて出力電圧の低下がない条件を見出しても良い。また、ここでは、電流一定の運転を行い出力電圧が低下すれば電流を小さくする負荷制御を行っているが、電圧一定の運転を行い、負荷電流が時間と共に減少すると電圧を上げる負荷電流の変化によって負荷制御を行っても良い。
【００２７】
（第３の実施形態）
ところで、燃料電池の負荷電流と出力電圧との関係は図８に示されるように、大きな負荷電流で出力電圧が急激に低下する特性を持つ。出力電圧が低下する原因の一つは、燃料が不足することである。この場合、燃料を多量に供給すれば燃料不足を解消でき、より大電流まで急激な出力電圧の低下を抑制することができるが、電気化学的に消費する量に比べ過剰に燃料を供給すれば未使用の燃料が増え、電流効率が低下する。このため、発電電流を作るために必要な燃料量より若干多い燃料を供給し、出力電圧の急激な低下が起リ始める屈曲点（傾きが急激に変化する点）より若干低い電流を動作点としている。
従来は所定の負荷電流が上記した屈曲点近くになるように燃料流量や燃料濃度を制御していたのに対し、ここでは、燃料流量や燃料濃度の制御を省略する代わりに屈曲点を検出して屈曲点近くで運転することとした。
【００２８】
上記したように本発明は、燃料電池を要求負荷に対応じて、あるいは一定負荷で運転することなく、燃料電池の発電能力に応じて発電するものであり、燃料電池の出力電圧、あるいは出力電圧の時間的変化を負荷制御用入力信号の一つとして用い、発電能力の変動を２次電池で平滑化したものである。  このことにより、起動時は温度が低く発電能力も低いが、その能力に応じて発電させることで温度も上昇し、発電能力が高まるとそれに応じて発電量を大きくすることができる。また、周囲が高湿度の影響で高負荷運転をしているとセル内に水が溜まり性能が低下することもあるが、発電能力の低下に応じて低負荷運転すればそれなりの出力を得ることができる。従って、電気回路により発電能力を検知して負荷電流を制御することにより、燃料ポンプ、空気ブロア、燃料濃度センサ、加熱用ヒータ等を省略でき、小型、簡略、低コストの燃料電池システムを提供することができる。
【００２９】
なお、従来、燃料電池の出力が異常低下したことを検知して運転を停止させ、あるいは、無負荷時に、出力電圧が過大になることを防止するために出力電圧を抑制する方法が存在するが、これは、燃料電池保護のための制御であり、上記した発電状態における負荷電流の制御とは異なる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本実施形態に係わる運転制御装置の構成図である。
【図２】本実施形態に係わる燃料電池システムの構成図である。
【図３】本実施形態に係わる燃料電池の運転制御装置の内部構成要部を示す回路図である。
【図４】本実施形態に係わる動作を説明するために引用したタイミング図である。
【図５】本実施形態に係わる直接形燃料電池セルの電圧−電流特性の一例を示す図である。
【図６】本発明の第１の実施形態を説明するために引用した図である。
【図７】本発明の第２の実施形態を説明するために引用した図である。
【図８】本発明の第３の実施形態を説明するために引用した図である。
【符号の説明】
【００３１】
Ｌ・・・インダクタンス、Ｂ・・・２次電池、Ｄ・・・ダイオード、Ｔ・・・トランジスタ、Ｓ・・・制御端子、Ｖｉｎ・・・入力電圧、Ｖｏｕｔ・・・出力電圧、Ｉ・・・燃料電池負荷電流、ｔａ・・・パルス幅、ｔｂ・・・パルス間隔、ΔＶ・・・出力電圧変化、ΔＩ・・・負荷電流変化、１・・・燃料供給源、２・・・燃料電池、３・・・制御部、４・・・電力変換器、５・・・負荷、６・・・二次電池、
【図１】
2006120442.tif 000003
【図２】
2006120442.tif 000004
【図３】
2006120442.tif 000005
【図４】
2006120442.tif 000006
【図５】
2006120442.tif 000007
【図６】
2006120442.tif 000008
【図７】
2006120442.tif 000009
【図８】
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