(57)【要約】【課題】  燃料電池スタックの電圧がインバータ耐電圧以上となってもスタック電圧をインバータ耐電圧以下に低下させることによりスタック積層数を増やせるようにする。【解決手段】  燃料電池スタック６７で発電した直流電力を交流電力に変換するインバータ１９と並列に負荷抵抗器６８を設置する。負荷抵抗器６８は、電流を定格出力の２％程度引くことができるものとし、インバータ１９の起動時に負荷抵抗器６８を起動して燃料電池スタック６７の電流を少し引くことによりスタック電圧をインバータ耐電圧以下まで低下させるようにする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池スタックで発電された直流電力を交流電力に変換するインバータと並列に負荷抵抗器を設けて、燃料電池スタックの電圧をインバータ耐電圧以下まで低下させるように制御することを特徴とする燃料電池発電装置におけるスタック電圧制御方法。
【請求項２】
負荷抵抗器を起動して、燃料電池スタックの電流を引くことによりスタック電圧を低下させるようにする請求項１記載の燃料電池発電装置におけるスタック電圧制御方法。
【請求項３】
負荷抵抗器を起動して、インバータ起動時のスタック電圧をインバータ耐電圧以下まで低下させるようにする請求項１又は２記載の燃料電池発電装置におけるスタック電圧制御方法。
【請求項４】
燃料電池スタックで発電された直流電力を交流電力に変換するインバータと並列に、燃料電池スタックの電圧をインバータ耐電圧以下まで下げるための負荷抵抗器を設置した構成を有することを特徴とする燃料電池発電装置におけるスタック電圧制御装置。
【請求項５】
負荷抵抗器を、定格出力の０％を越えて２％以下の電流を引くことができるものとした請求項４記載の燃料電池発電装置におけるスタック電圧制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体高分子型燃料電池の如き燃料電池を用いた燃料電池発電装置に関するもので、詳しくは、発電効率を向上させるようにする燃料電池発電装置におけるスタック電圧制御方法及び装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、燃料を用いた他の発電方法に比して熱効率が高く、又、環境汚染が少ないため、有効な発電装置として期待されている。燃料電池のうち、特に、固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）は、１００℃以下という低温で発電が行われ、出力密度が高いので、他の形式の燃料電池に比して小型化でき、しかも、起動が容易であること、等の長所があることから、近年、小規模な業務用あるいは家庭用等の発電装置として使用されるようになってきている。
【０００３】
一例として上記固体高分子型燃料電池を用いた発電装置（ＰＥＦＣ発電装置）について説明すると、一般的に図５に概要を示す如き構成としてある。すなわち、電解質としてフッ素系のイオン交換膜が用いられている固体高分子電解質膜（図示せず）の両面をカソード（空気極）２とアノード（燃料極）３の両ガス拡散電極で挟持させてなるセルを、セパレータを介し積層してスタックとし、且つ数セルに１つずつの冷却部４を備えてなる構成の固体高分子型燃料電池１を備えている。更に、上記固体高分子型燃料電池１におけるアノード３の入口側には、改質器６、シフトコンバータ７、ＣＯ除去器８を上流側から順に備えている燃料処理装置５と、加湿器９とが設けてあり、燃料ポンプ１０の運転により燃料供給ライン１１を経て供給される都市ガス（天然ガス）や灯油等の燃料（原料）１２を、該燃料供給ライン１１上の脱硫反応器１３にて脱硫処理した後、予熱器１４にて予熱してから、蒸発器１５より導かれる水蒸気１６と共に上記燃料処理装置５の改質器６へ供給して水蒸気改質を行わせ、得られる改質ガス（燃料ガス）１２ａを、シフトコンバータ７に導いてシフト反応させ、更に、ＣＯ除去器８にてＣＯ除去処理した後、加湿器９を経て上記固体高分子型燃料電池１のアノード３へ供給するようにしてある。一方、上記カソード２の入口側の加湿器９には、空気ブロワ１７が酸化ガス供給ライン１８を介して接続してあり、酸化ガス（酸素含有ガス）として空気Ａが、空気ブロワ１７で圧縮された後、加湿器９を経て上記固体高分子型燃料電池１のカソード２へ供給されるようにしてある。これにより、上記固体高分子型燃料電池１では、アノード３側に供給される改質ガス１２ａ中の水素と、カソード２側に供給される空気Ａ中の酸素とを電気化学反応（電池反応）させて、直流電力を発生させるようにしてある。固体高分子型燃料電池１で発生した直流電力はインバータ１９で交流電力に変換されて送電されるようにしてある。
【０００４】
上記アノード３の出口側より排出されるアノードオフガス２０ａは、アノードオフガスライン２０を通して燃料処理装置５の改質器６の燃焼室（図示せず）へ導くようにしてある。更に、上記改質器６の燃焼室には、上記燃料供給ライン１１より分岐させた燃料ライン２１を通して燃料１２の一部を供給できるようにしてあり、該改質器６の燃焼室にて、上記アノードオフガス２０ａ中に残存する未反応の水素等の可燃成分や上記燃料１２を、上記酸化ガス供給ライン１８より分岐させた空気ライン２２を通して供給される空気Ａを用いて燃焼させることにより、改質器６における燃料１２の水蒸気改質のための熱源とすることができるようにしてある。
【０００５】
上記改質器６の燃焼室から排出される燃焼排ガス２３は、燃焼排ガスライン２４を通して上記蒸発器１５及び燃料供給ライン１１に設けてある予熱器１４に順に導いて、上記燃焼排ガス２３の廃熱を、水蒸気発生用熱源及び燃料予熱用熱源として利用するようにしてある。
【０００６】
一方、上記カソード２の出口側より排出されるカソードオフガス２５は、カソードオフガスライン２６を通してドレンセパレータ２７へ導いて、ドレンを分離除去した後、上記燃焼排ガスライン２４を経て導かれる燃焼排ガス２３と合流させて総合排ガス２８とした後、総合排ガスライン２９を通して外部へ放出させるようにしてある。なお、上記ドレンセパレータ２７にて分離したドレンは、純水タンク３０へ回収し、該純水タンク３０より水供給ポンプ３２付きの水供給ライン３１を通して上記蒸発器１５へ水蒸気発生用の水として供給するようにしたり、以下に述べる固体高分子型燃料電池１の電池冷却水３３として再利用するようにしてある。
【０００７】
すなわち、上記固体高分子型燃料電池１の冷却部４の入口側に、上記純水タンク３０を、冷却水ポンプ３４、ラジエータ３５を上流側より順に備えた冷却水ライン３６を介し接続し、且つ上記冷却部４の出口側に一端を接続してある冷却水戻しライン３７の他端を、上記純水タンク３０へ接続するようにしてある。これにより、上記固体高分子型燃料電池１の運転中に、上記純水タンク３０より冷却水ライン３６へ導かれる電池冷却水３３を、冷却水ポンプ３４の運転により、ラジエータ３５を経て固体高分子型燃料電池１の冷却部４へ供給して、固体高分子型燃料電池１における燃料電池反応の生成熱と熱交換させて、電池温度を冷却（水冷）できるようにしてある。又、この電池温度の冷却に供された後に昇温されて排出される電池冷却水３３を、冷却水戻しライン３７を経て上記純水タンク３０へ戻して循環させるようにしてある。
【０００８】
上記のような構成としてある固体高分子型燃料電池発電装置においては、燃料電池１で発生した電力は直流であり、これを交流電力に変換して送電するために、インバータ１９が設置されている。
【０００９】
上記インバータ１９は、耐電圧が決められており、電圧が高いと起動できないようにしてある。
【００１０】
一方、複数の燃料電池セルをセパレータを介し積層してなる燃料電池スタックの特性としては、出力（電流）を上げるに従い電圧が下がってくるという特性があり、燃料電池スタックから電流を流していないとき（電流値零のとき）の電圧、すなわち、開路電圧（Open Circuit Voltage）は、最も高く、又、燃料電池セルの積層数を増やすことにより燃料電池スタックのセル電圧は上昇し、開路電圧がインバータ１９の耐電圧以上となることがあった。
【００１１】
ところで、インバータ１９を起動するときは、電流値が零であるため、開路電圧は最も高い状態となるが、開路電圧がインバータ１９の耐電圧以上になると、該インバータ１９が起動できなくなることから、インバータの起動時は開路電圧をインバータ１９の耐電圧以下に保つようにしなければならない。そのために、燃料電池スタックの積層数を増やせば発電効率がよくなるにも拘らず、従来では、開路電圧をインバータ耐電圧以下に保つ必要上から燃料電池スタックの積層数を制限してきているのが実状である。又、このように燃料電池スタックの積層数を決めていても、何等かの原因で電圧が高くなってくると、インバータの運転ができなくなり、セル性能低下が生じることになっている。
【００１２】
そのため、開路電圧をインバータ耐電圧以下に保ちながら、燃料電池スタックのセル積層数を増やして発電効率を向上させるようにすることが望まれている。
【００１３】
従来、燃料電池の発電電力をインバータで交流電力に変換するようにしたものとしては、たとえば、図６に示すものが提案されている。すなわち、燃料電池発電装置の単位セルの積層体からなる燃料電池３８の発電電力をインバータ３９で交流電力に変換し、連系スイッチ４０を介して接続された交流電力系統４１との間で電力の授受が行われるようにしてある。又、主電気系統の交流側には、それぞれ系統スイッチ４２，４３及び４４を介して接続された複数の補機系統４５，４６及び負荷抵抗器系統４７が設けられている。これら連系スイッチ４０及び各系統スイッチ４２，４３及び４４の開閉制御は、全体を連携制御する制御系統４８が検出部４９からの検出信号５０を受けて発する制御信号５１ａ，５１ｂ，５１ｃ，５１ｄ，５１ｅなどにより協調制御され、燃料電池３８の発電電力、インバータ３９の出力電力とを交流電力系統４１が要求する電力との平衡が保持されるようにしてある（たとえば、特許文献１参照）。
【００１４】
又、図７に示す如く、単セルを複数個積層してなる電池スタック５２の出力側に、該電池スタック５２からの直流出力を交流に変換して出力するインバータ５３が設けられていて、上記電池スタック５２の出力側とインバータ５３との間に、入切スイッチ５４、及び放電抵抗５５からなる放電装置が、投入可能に設けられ、更に、電池スタック５２の出力側に、各電池スタック５２のトータル電圧ＶＴを測定する電圧測定手段５６が設けられており、測定されたトータル電圧ＶＴが、制御装置５７に入力されるようにした構成のものがある。したがって、システム起動時には、制御装置５７の電圧比較手段により、トータル電圧ＶＴがインバータ起動可能最低電圧に達したことを判定した時点で、インバータ５３に対してインバータ起動指令５８を出力するようにしてある（たとえば、特許文献２参照）。
【００１５】
更に、図８に示す如く、固体高分子型燃料電池として、電池本体５９の電圧を測定する電圧計６０と、負荷電流をかけた電池本体５９の電圧を測定するための所定抵抗値を有する検出用負荷６１と、電池本体５９からの電力を所定の電圧に変換して外部負荷６２に供給するコンバータ６３と、電池本体５９の電力を検出用負荷６１及びコンバータ６３への供給をＯＮ／ＯＦＦするスイッチ６４と、電池本体５９の検出用負荷６１側へ接続するかコンバータ６３側へ接続するかを切り換える切替スイッチ６５と、電圧計６０の測定値に基づいてスイッチ６４、切替スイッチ６５等を操作する制御部６６が備えられた構成のものがある。
【００１６】
上記構成において、制御部６６は、スイッチ６４をＯＮ、切替スイッチ６５をコンバータ６３に接続し、電池本体５９で発電された電力をコンバータ６３を介して外部負荷６２に供給するようにしてある（たとえば、特許文献３参照）。
【００１７】
【特許文献１】特開平８−１９０９２８号公報
【特許文献２】特開平８−３１５８４４号公報
【特許文献３】特開平８−３１５８４３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
ところが、特許文献１に記載されたものは、インバータ３９で直流電力を交流電力に変換すると、連系スイッチ４０を介して交流電力系統４１との間で電力の授受が行われるようにしてあり、主電気系統の交流側に負荷抵抗器系統４７等が接続されているが、開路電圧がインバータ３９の耐電圧以上となっても燃料電池スタックの積層数を増やせるようにするためのものではなく、又、このようなことを示唆するものでもない。
【００１９】
又、特許文献２に記載されたものは、電池スタック５２とインバータ５３とを接続する回路中に、トータル電圧ＶＴを測定する電圧測定手段５６が設けられ、トータル電圧ＶＴを制御装置５７へ入力するようにしてあるが、これは、システム起動時にインバータ５３に対してインバータ起動指令５８を与えるようにするものであり、開路電圧がインバータ耐電圧以上でもインバータ５３を起動させることができるようにするものではない。
【００２０】
更に、特許文献３に記載されたものは、コンバータ６３と並列に検出用負荷６１が設けられているが、切替スイッチ６５を検出用負荷６１側に接続することにより、負荷電流をかけた電池本体５９の電圧を測定することができ、又、切替スイッチ６５をコンバータ６３側へ接続することにより、電池本体５９で発電された電力を、コンバータ６３を介して外部負荷に供給できるようにしたものであり、切替スイッチ６５をコンバータ６３側へ接続した状態で、開路電圧がコンバータ６３の耐電圧以上となってもコンバータ６３を起動させることができるようにしたものではない。
【００２１】
このように、発電効率を向上させるために燃料電池スタックの積層数を増やせば、セル電圧が上昇して開路電圧がインバータ耐電圧以上となるため、電圧をインバータ耐電圧以下に保つ必要からスタック積層数の制約となっていた実状を解決する手段は、従来提案されていなかった。
【００２２】
そこで、本発明者等は、燃料電池スタックの出力側で僅かに電流を引き始めるときにスタック電圧（セル電圧）が大きく下がるという燃料電池スタックの特性に着目して本発明をなしたものである。
【００２３】
したがって、本発明の目的とするところは、燃料電池スタックの電圧が上昇して開路電圧がインバータ耐電圧以上となる状態でも、該開路電圧をインバータ耐電圧以下に低下させてインバータを起動させることができるようにして、発電効率を良くすることができるようにしようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【００２４】
本発明は、上記課題を解決するために、燃料電池スタックで発電された直流電力を交流電力に変換するインバータと並列に負荷抵抗器を設けて、燃料電池スタックの電圧をインバータ耐電圧以下まで低下させるように制御するようにし、詳しくは、負荷抵抗器を起動して、燃料電池スタックの電流を引くことによりスタック電圧を低下させるようにする方法とする。
【００２５】
又、上記方法において、負荷抵抗器を起動して、インバータ起動時のスタック電圧をインバータ耐電圧以下まで低下させるようにする方法とする。
【００２６】
更に、燃料電池スタックで発電された直流電力を交流電力に変換するインバータと並列に、燃料電池スタックの電圧をインバータ耐電圧以下まで下げるための負荷抵抗器を設置した構成とし、上記負荷抵抗器を、定格出力の０％を越えて２％以下の電流を引くことができるものとするようにする。
【発明の効果】
【００２７】
本発明の燃料電池発電装置におけるスタック電圧制御方法及び装置によれば、次の如き優れた効果を奏し得る。  
（１）燃料電池スタックで発電された直流電力を交流電力に変換するインバータと並列に負荷抵抗器を設けて、燃料電池スタックの電圧をインバータ耐電圧以下まで低下させるようにしてあるので、電流が流れていないときのスタック電圧がインバータ耐電圧以上であっても、負荷抵抗器を起動してインバータ耐電圧以下まで下げることができ、又、燃料電池スタックの積層数を増加させてスタック電圧がインバータ耐電圧以上となる場合でも、負荷抵抗器でスタック電圧をインバータ耐電圧以下まで低下させることができることから、燃料電池スタックの積層数の制約がなくなり、発電効率を向上させることができる。  （２）負荷抵抗器を、定格出力の０％を越えて２％以下の電流を引くことができるものとして、電流を少し引くことにより燃料電池スタックの電圧を大きく低下させることができることから、インバータ起動時にスタック電圧をインバータ耐電圧以下まで低下させることができ、インバータの起動を支障なく行わせ、安定した運転を行わせることができる。
（３）電流が流れていないときの状態が長く続くとき、電圧が高くなってセルが劣化して性能低下を招くおそれがあるが、このような過電圧によるセル性能低下も、負荷抵抗器により電流を少し引いて、スタック電圧を低下させることができるので、セル性能低下を防止することができる。  
（４）又、燃料電池発電装置の運転停止時に電圧が高くなることがあっても、かかる装置の運転停止時に負荷抵抗器を起動させてスタック電圧を低下させることができるので、セル性能低下を防止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
以下、本発明を実施するための最良の形態を図面を参照して説明する。
【００２９】
図１は本発明の実施の一形態を示すもので、図５に示す固体高分子型燃料電池発電装置における固体高分子型燃料電池１と同様に、電解質としてフッ素系のイオン交換膜が用いられている固体高分子電解質の両側をアノードとカソードの両ガス拡散電極で挟持させてなるセルを、セパレータを介し多層に積層してスタック６７としてなる構成の固体高分子型燃料電池１にインバータ１９を接続し、上記燃料電池スタック６７で発生した直流電力を、インバータ１９で交流電力に変換させるようにしてある構成において、上記燃料電池スタック６７の開路電圧をインバータ耐電圧以下まで低下させるために、抵抗器６８ａとリレー回路６８ｂからなる負荷抵抗器（ダンプロード）６８を、上記インバータ１９と並列に設け、燃料電池スタック６７から出力される直流電力を負荷抵抗器６８をＯＮにして引くようにした構成とする。
【００３０】
詳述すると、燃料電池スタック６７の電流と電圧の特性は、前記したように、電流を流していないときの電圧、すなわち、開路電圧が最も高く、電流を引き始めると、燃料電池スタック電圧（セル電圧）が大きく下がり、開路電圧が低下する。具体的には、図２に示す如く、定格出力１００％のときの燃料電池スタック６７からの電流が定格出力の２％以下では、上記燃料電池スタック６７の電圧は曲線ａのようにインバータ耐電圧ｂ以上となっている。定格出力の２％程度の電流を引くと、燃料電池スタック６７の電圧が曲線ａの如く大きく下がるという特性が実験により確認されている。
【００３１】
本発明は、上記燃料電池スタック６７の特性として、電流を流さない開路（Open Circuit）状態から僅かに電流を流し始める電流域ではスタック電圧低下が大きいことに着目し、負荷抵抗器として、定格出力（１００％）の２％程度の電流を引くことができるようにしてある負荷抵抗器（ダンプロード）６８を選定してインバータ１９と並列に設置した構成とする。
【００３２】
本発明における上記負荷抵抗器６８を起動させるときは、電流が流れていない開路状態でリレー回路６８ｂを閉じて抵抗器６８ａを接続させるようにする。これにより若干の電流が負荷抵抗器６８を通して引かれるようになる。
【００３３】
負荷抵抗器６８起動時の運転動向を示す図３において、ａは開路電圧、すなわち、スタック電圧、ｂはインバータ耐電圧、ｃはスタック電流であり、又、ｄは開路電圧開始時、ｅは負荷抵抗器６８の起動時間、ｆはインバータ１９の起動時を示す。
【００３４】
燃料電池スタック６７で発電された直流電力を交流電力に変換させるためにインバータ１９を起動させようとするとき、電流を引いていないときの開路電圧としてのスタック電圧ａは図３に示す如く最も高くてインバータ耐電圧ｂ以上となることがある。そのため、インバータ１９を起動させようとするときは、負荷抵抗器６８のリレー回路６８ｂをＯＮにして該負荷抵抗器６８を起動させ、燃料電池スタック６７から電流を少し、すなわち、図２に示すように定格出力の２％程度引くようにする。これにより開路電圧（スタック電圧ａ）は、図３に示す如くインバータ１９を起動できる電圧であるインバータ耐電圧ｂ以下まで低下させるようにする。開路電圧がインバータ耐電圧ｂ以下まで低下させられると、ｆの時点でインバータ１９を起動させ、直流電力を交流電力に変換させて負荷へ供給させるようにする。この際、インバータ１９の起動前に開路電圧がインバータ耐電圧ｂ以上となっていても、負荷抵抗器６８を起動させて電流を引くことにより、開路電圧をインバータ耐電圧以下に低下させることができることから、燃料電池スタック６７のセル積層数を増加させてスタック電圧を高めることによりインバータ耐電圧以上となるようにしても、インバータ１９の起動前に負荷抵抗器６８を起動させて、スタック電圧をインバータ耐電圧以下まで低下させることができて、従来のスタック積層数の制約を受けることがなくなり、発電効率の向上を図ることが可能となる。又、固体高分子型燃料電池発電装置の運転を停止して電流を流さない状態を長時間保つことにより過電圧による燃料電池セルの性能低下のおそれがあるときでも、図４に示す如く、負荷抵抗器６８を起動させて燃料電池スタック６７の電圧を低下させることにより、過電圧によるセル性能低下を防止することが可能となり、他の手段でスタック電圧を低下させる必要をなくすことができる。図４において、ａは開路電圧としてのスタック電圧、ｂはインバータ耐電圧、ｅは負荷抵抗器６８の起動時間、ｇは運転停止時を示す。
【００３５】
上記インバータ１９を起動させて、燃料電池スタック６７から出力される電流を引くことによりスタック電圧ａが所定の電圧以下まで下がってくると、負荷抵抗器６８のリレー回路６８ｂを開いて切り離し、この時点以降、インバータ１９のみの運転に切り替えるようにする。
【００３６】
又、図４に示す装置停止時に負荷抵抗器６８を起動させたときも、スタック電圧ａが所定の電圧以下まで下がった状態になると、負荷抵抗器６８の運転を停止させるようにする。
【００３７】
なお、上記実施の形態では固体高分子型燃料電池発電装置の場合について説明したが、溶融炭酸塩型燃料電池等の他の燃料電池を用いた発電装置にも適用できること、又、負荷抵抗器６８として、定格出力の２％程度の電流を引くことができるものを選定することとしたが、電流を少し引けばよいので、その数値に限られるものではなく、定格出力の０％を越えて２％以下の電流を引くことができるものとしてもよいこと、その他本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々変更を加え得ることは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明の実施の一形態を示す概要図である。
【図２】燃料電池スタックの電流と電圧の特性を示す図である。
【図３】本発明における負荷抵抗器起動時の運転動向を示す図である。
【図４】燃料電池発電装置停止時の負荷抵抗器の運転動向を示す図である。
【図５】一般的な固体高分子型燃料電池発電装置の概要図である。
【図６】従来の燃料電池発電装置の電気系統の一例を示す図である。
【図７】従来の燃料電池発電装置の電気系統の他の例を示す図である。
【図８】従来の燃料電池発電装置の電気系統の別の例を示す図である。
【符号の説明】
【００３９】
１  固体高分子型燃料電池（燃料電池）
１９  インバータ
６７  燃料電池スタック
６８  負荷抵抗器
ａ  スタック電圧
ｂ  インバータ耐電圧
【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】
2008251448.tif 000008
【図７】
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【図８】
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