(57)【要約】【課題】スタックを並列に接続したときに電力損失が抑制され、逆電圧が生じ難く、電力効率が良好である燃料電池システム及び燃料電池を提供する。【解決手段】燃料電池システム１は、各別の第１スイッチ２５に接続されており、第１スイッチ２５を介し互いに並列に接続され、水素及び酸素を反応させて発電する複数のスタック２１と、スタック２１の作動に必要な補機２２と、スタック２１と第１スイッチ２５との間に接続され、補機２２に電力を供給する電源回路２４とを備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
各別のスイッチに接続されており、該スイッチを介し互いに並列に接続され、水素及び酸素を反応させて発電する複数のスタックと、
前記スタックの作動に必要な補機と、
前記スタックと前記スイッチとの間に接続され、前記補機に電力を供給する電源回路と
を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記スタックが発電して前記電源回路に電力を供給した後に、前記スイッチを接続する制御部を備えることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記スイッチより後段に接続された電力変換装置を備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
水素及び酸素を反応させて発電するスタックと、
該スタックに接続されたスイッチと、
前記スタックの作動に必要な補機と、
前記スタックと前記スイッチとの間に接続され、前記補機に電力を供給する電源回路と
を備えることを特徴とする燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水素及び酸素を反応させて発電するスタックを複数並列に接続した燃料電池システム、及び燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
負極に水素を送って起電力を得る電池として、燃料電池、ニッケル・水素電池等が挙げられる。
燃料電池は発電効率が高く、クリーンな発電装置であり、負荷の大小に影響されず、コジェネレーションシステムを構築できるため、パーソナルコンピュータ，携帯電話機等のデジタル家電製品、電気自動車、鉄道、携帯電話の基地局、発電所等の種々の用途が検討されている。
【０００３】
燃料電池は、水素及び酸素を反応させて発電するスタックと、例えば複数のＭＨ（Metal Hydride）ボンベ、又は水素タンクを有する水素供給部とを備える。ＭＨボンベは水素吸蔵合金を充填してなる。
スタックは、固体高分子電解質膜を負極と陽極とで両側から挟んで膜電極接合体を形成し、この膜電極接合体の両側に一対のセパレータを配置して平板部状の単位セルを構成し、この単位セルを複数積層してパッケージ化したものである。
【０００４】
スタックの大容量化には限界があるので、複数のスタックを並列に接続して容量を増大化することが行われている。
スタックを並列に接続した場合、各スタックの発電性能を一致させたとしても、電圧−電流特性の傾きが大きい燃料電池においては、原料ガスの供給量にばらつきが生じることも相まって、各スタックの出力電圧値にばらつきが生じる。この場合、電圧値が高いスタックから低いスタックへ逆電圧が印加される。逆電圧が印加されたスタックにおいては逆の電気分解反応が生じ、燃料電池の構成部品が劣化し、燃料電池の発電性能及び寿命が低下するという問題がある。
【０００５】
特許文献１の燃料電池発電装置においては、同一定格のスタックを複数直列に接続した直列スタックを複数組備え、複数組の直列スタックの出力電流をインバータ及び変圧器を介して共通の交流負荷回路に並列に供給するように構成されている。直列スタック夫々の両端部には発電電流の電流方向を順方向として接続されたダイオードを備え、このダイオードを介して直列スタックが互いに並列に接続されている。この燃料電池発電装置においては、並列に接続されたスタック間での逆電圧のやり取りが抑制され、逆電圧によるスタックの特性劣化が防止されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平８−５０９０２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献１の燃料電池発電装置の場合、ダイオードにおいて電力損失が発生するという問題がある。一般的なダイオードで、０．６Ｖの電圧降下が生じる。従って、例えば２０Ｖ×５０Ａ＝１ｋＷの電力を出力するスタックにおいては、０．６Ｖ×５０Ａ＝３０Ｗの損失となる。
【０００８】
本発明は、斯かる事情に鑑みてなされたものであり、スタックを並列に接続したときに電力損失が抑制され、逆電圧が生じ難く、電力効率が良好である燃料電池システム及び燃料電池を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明に係る燃料電池システムは、各別のスイッチに接続されており、該スイッチを介し互いに並列に接続され、水素及び酸素を反応させて発電する複数のスタックと、前記スタックの作動に必要な補機と、前記スタックと前記スイッチとの間に接続され、前記補機に電力を供給する電源回路とを備えることを特徴とする。
【００１０】
本発明に係る燃料電池は、水素及び酸素を反応させて発電するスタックと、該スタックに接続されたスイッチと、前記スタックの作動に必要な補機と、前記スタックと前記スイッチとの間に接続され、前記補機に電力を供給する電源回路とを備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、スイッチの抵抗値がダイオードと比較して遙かに低いので、電圧降下量が小さく、電力損失が少ない。スイッチの抵抗値が低いので、スイッチの手前で補機用の電源回路へ電流が差し引かれることと相まって、本発明においては、他のスタックと並列接続したときに接続部分の電圧が抑制され、即ち逆電圧が生じ難く、逆電流が流れ難い。補機用の電源回路はスイッチの手前から引き出すので、ロスは少なく、燃料電池システムの電力効率は良好である。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】実施の形態に係る燃料電池システムを示すブロック図である。
【図２】第１制御部及び第２制御部による電力供給開始の制御処理の手順を示すフローチャートである。
【図３】スタックの出力電圧値、スタックの出力電流値、及びＤＣＤＣコンバータの入力電圧値の時間変化の一例を示すタイミングチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明をその実施の形態を示す図面に基づいて具体的に説明する。
図１は、実施の形態に係る燃料電池システム１を示すブロック図である。
燃料電池システム１は、並列に接続した複数の燃料電池２、第１制御部３、及びＤＣＤＣコンバータ４を備えており、外部起動電源６及び負荷５に接続されている。外部起動電源６は、例えば商用電源、電池等である。
【００１４】
燃料電池２は、スタック２１、補機２２、第２制御部２３、補機用電源回路２４、第１スイッチ２５、及び第２スイッチ２６を備える。第１スイッチ２５及び第２スイッチ２６としては、リレー又は半導体スイッチ等が挙げられる。
【００１５】
スタック２１は、固体高分子電解質膜を負極と陽極とで両側から挟んで膜電極接合体を形成し、この膜電極接合体の両側に一対のセパレータを配置して平板部状の単位セルを構成し、この単位セルを複数積層してパッケージ化したものである。
補機２２は、燃料電池２の各構成部の動作を制御するＣＰＵ（Central Processing Unit）、及び燃料電池２の運転プログラムを記憶している記憶部を有する第２制御部２３を含む。補機２２は、他に、発電により発熱したスタック２１を冷却する冷却水を通流させるためのポンプ、及びスタック２１で生じた熱を外部へ放出するためのファン等、スタック２１の作動に必要な機器を含む。
各燃料電池２のスタック２１は、各第１スイッチ２５を介して、互いに並列に接続されている。
【００１６】
電力線２７の第１スイッチ２５とスタック２１との間に、接続点２８を介して補機用電源回路２４が接続されている。補機用電源回路２４は、補機２２に電力を供給する。
接続点２８と補機用電源回路２４との間には三路スイッチである第２スイッチ２６が設けられている。第２スイッチ２６により、スタック２１からと、外部起動電源６からと、供給元を切り替えて補機用電源回路２４へ電力を供給するように構成されている。
【００１７】
第１スイッチ２５の後段には電力変換装置としてのＤＣＤＣコンバータ４が接続されており、ＤＣＤＣコンバータ４のさらに後段には負荷５が接続されている。スタック２１が発電した電力は、ＤＣＤＣコンバータ４により、負荷５に対応して電圧を変換されて、負荷５に供給される。
なお、電力変換装置はＤＣＤＣコンバータに限定されるものではなく、負荷５に対応して、例えば直流を交流に変換して、電圧を変換するＤＣＡＣコンバータ等であってもよい。
【００１８】
第１制御部３は、各燃料電池２、及びＤＣＤＣコンバータ４の動作を制御するＣＰＵ、及び燃料電池２の制御プログラムを記憶している記憶部を有する。図１においては、第１制御部３と各部との接続は示していない。
【００１９】
以下、負荷５に電力を供給するときの第１制御部３及び第２制御部２３の制御処理について説明する。
図２は、第１制御部３及び第２制御部２３による発電開始の制御処理の手順を示すフローチャートである。
まず、第１制御部３は発電を開始するか否かを判定する（Ｓ１）。第１制御部３は発電を開始しないと判定した場合（Ｓ１：ＮＯ）、判定処理を所定の間隔で繰り返す。第１制御部３は、ユーザにより発電開始の指示を受け付けた場合、又は停電時に非常用電源としてスタック２１を発電させると判定した場合等において、発電を開始すると判定する。
【００２０】
第１制御部３は発電を開始すると判定した場合（Ｓ１：ＹＥＳ）、第２スイッチ２６を外部起動電源６側へ切り替え、外部起動電源６から補機用電源回路２４へ電力を供給する（Ｓ２）。
これにより、燃料電池２の補機２２の電源がオンになり、第２制御部２３の電源もオンになる。
【００２１】
第１制御部３は、各燃料電池２へ発電開始指令を送信する（Ｓ３）。
【００２２】
第２制御部２３は、第１制御部３から発電開始指令を受信したか否かを判定する（Ｓ１１）。第２制御部２３は発電開始指令を受信していないと判定した場合（Ｓ１１：ＮＯ）、判定処理を繰り返す。
第２制御部２３は発電開始指令を受信したと判定した場合（Ｓ１１：ＹＥＳ）、スタック２１の発電を開始する（Ｓ１２）。
【００２３】
第２制御部２３は、第２スイッチ２６の接点を切り替え、補機用電源回路２４への電力供給元を、外部起動電源６からスタック２１へ切り替える（Ｓ１３）。
第２制御部２３は第１スイッチ２５をオンする（Ｓ１４）。これにより、各スタック２１とＤＣＤＣコンバータ４とが接続される。
第２制御部２３は、発電開始処理の完了の報告を第１制御部３へ送信し（Ｓ１５）、発電開始処理を終了する。
【００２４】
第１制御部３は、全ての燃料電池２から発電開始処理の完了の報告を受信したか否かを判定する（Ｓ４）。
第１制御部３は、全ての燃料電池２からは発電開始処理の完了の報告を受信していないと判定した場合（Ｓ４：ＮＯ）、判定処理を繰り返す。
第１制御部３は、全ての燃料電池２から発電開始処理の完了の報告を受信したと判定した場合（Ｓ４：ＹＥＳ）、ＤＣＤＣコンバータ４の負荷５への出力を開始し、発電開始処理を終了する。
第１制御部３は、スタック２１の発電を終了した後、発電を開始する都度、ステップＳ１からの処理を繰り返す。
【００２５】
図３は、スタック２１の出力電圧値、スタック２１の出力電流値、及びＤＣＤＣコンバータ４の入力電圧値の時間変化の一例を示すタイミングチャートである。
時点（１）で、スタック２１が停止している状態から発電を開始されたとき、スタック２１の出力電圧値は０Ｖから３４Ｖまで上昇する。この電圧値は、無負荷の開放電圧値（ＯＣＶ）である。
時点（２）で、第２スイッチ２６がスタック２１側へ切り替えられたとき、補機用電源回路２４へ電流が１０Ａ流れ、スタック２１の内部抵抗による電圧降下分を差し引いた３０Ｖの電圧が第１スイッチ２５側へ出力される。
【００２６】
時点（３）で、第１スイッチ２５をオンしたとき、スタック２１がＤＣＤＣコンバータ４に接続され、ＤＣＤＣコンバータ４の入力電圧値が３０Ｖになる。
時点（４）で、ＤＣＤＣコンバータ４から負荷５へ電力が供給されたとき、スタック２１の出力電圧値は２０Ｖになり、出力電流値は５０Ａになり、ＤＣＤＣコンバータ４の入力電圧値は２０Ｖになる。
時点（５）で、ＤＣＤＣコンバータ４から負荷５への電力供給を停止したとき、スタック２１の出力電圧値は３０Ｖになり、出力電流値は１０Ａになり、ＤＣＤＣコンバータ４の入力電圧値は３０Ｖになる。
【００２７】
時点（６）で、第１スイッチ２５をオフしたとき、スタック２１の電圧値はＯＣＶになり、その後、発電を終了すると、自然放電される。
【００２８】
本実施形態においては、第１スイッチ２５より後段にＤＣＤＣコンバータ４が接続されているので、ＤＣＤＣコンバータ４の入力電圧範囲を狭くすることができる。
燃料電池２において補機用電力を差し引かない場合、ＤＣＤＣコンバータ４の入力電圧範囲は１９ＶからＯＣＶの３４Ｖまでの範囲である。ここで、下限値は図３のタイミングチャートの下限値２０Ｖに対しマージンを取っている。
本実施形態の場合、補機用電源回路２４へ電力が差し引かれるので、ＤＣＤＣコンバータ４の入力電圧範囲は１９Ｖ〜３０Ｖになり、狭くなる。従って、ＤＣＤＣコンバータ４の設計が容易になる。
【００２９】
２以上のスタック２１を接続する部材として、特許文献１のダイオードの代わりにスイッチを用いた場合、ＯＣＶが低いスタックが含まれている場合、他のスタックからＯＣＶが低いスタックに向かって逆電流が流れる虞がある。
上述したように、本実施形態においては、各スタック２１から補機２２用の電力負荷を引いた後で、各スタック２１を並列に接続する。従って、スタック２１同士がＯＣＶで接続されることがない。
【００３０】
第１スイッチ２５の抵抗値はダイオードと比較して遙かに低いので、電圧降下量が小さく、電力損失が少ない。第１スイッチ２５の抵抗値が低いので、第１スイッチ２５の手前で補機用電源回路２４へ電流が差し引かれることと相まって、本実施形態においては、他のスタック２１と並列接続したときに接続部分の電圧が抑制され、即ち逆電圧が生じ難く、逆電流が流れ難い。補機用電源回路２４は第１スイッチ２５の手前から引き出すので、ロスは少なく、燃料電池システム１の電力効率は良好である。
各燃料電池２が補機用電源回路２４を備えており、燃料電池システム１が各補機２２に供給する電源回路を一つのみ有する場合と異なり、要求される容量等に応じて柔軟に燃料電池２の接続数を決めて燃料電池２を接続することができ、変換効率も良好である。
【００３１】
以上のように、本発明に係る燃料電池システムは、各別のスイッチに接続されており、該スイッチを介し互いに並列に接続され、水素及び酸素を反応させて発電する複数のスタックと、前記スタックの作動に必要な補機と、前記スタックと前記スイッチとの間に接続され、前記補機に電力を供給する電源回路とを備えることを特徴とする。
【００３２】
スイッチは抵抗値が低いので、電圧降下量が小さく、電力損失が少ない。従って、スイッチの手前で補機用の電源回路へ電流が差し引かれることと相まって、本発明においては、他のスタックと並列接続したときに接続部分の電圧が抑制され、即ち逆電圧が生じ難く、逆電流が流れ難い。補機用の電源回路はスイッチの手前から引き出すので、ロスは少なく、燃料電池システムの電力効率は良好である。
各燃料電池が補機用の電源回路を備え、燃料電池システムが各補機に供給する電源回路を一つのみ有するものではないので、要求される容量等に応じて柔軟に燃料電池の接続数を決めて燃料電池を接続することができ、変換効率も良好である。
【００３３】
本発明に係る燃料電池システムは、上述の燃料電池システムにおいて、前記スタックが発電して前記電源回路に電力を供給した後に、前記スイッチを接続する制御部を備えることを特徴とする。
【００３４】
本発明においては、スタック同士がＯＣＶで接続されることがないため、逆電流が流れ難い。
【００３５】
本発明に係る燃料電池システムは、上述の燃料電池システムにおいて、前記スイッチより後段に接続された電力変換装置を備えることを特徴とする。
【００３６】
本発明においては、電力変換装置の入力電圧範囲を狭くすることができるので、電力変換装置の設計が容易になる。
【００３７】
本発明に係る燃料電池は、水素及び酸素を反応させて発電するスタックと、該スタックに接続されたスイッチと、前記スタックの作動に必要な補機と、前記スタックと前記スイッチとの間に接続され、前記補機に電力を供給する電源回路とを備えることを特徴とする。
【００３８】
スイッチの抵抗値が低いので、本発明においてはスイッチの手前で補機用の電源回路へ電流が差し引かれることと相まって、他のスタックと並列接続するときに接続部分の電圧が抑制され、逆電流が流れ難い。補機用の電源回路はスイッチの手前から引き出すので、ロスは少ない。
【００３９】
本発明は上述した実施の形態の内容に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能である。即ち、請求項に示した範囲で適宜変更した技術的手段を組み合わせて得られる実施形態も本発明の技術的範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００４０】
１  燃料電池システム
２  燃料電池
２１  スタック
２２  補機
２３  第２制御部
２４  補機用電源回路
２５  第１スイッチ
２６  第２スイッチ
３  第１制御部
４  ＤＣＤＣコンバータ
５  負荷
６  外部起動電源
【図１】
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【図２】
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【図３】
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