(57)【要約】【課題】直流電力から交流電力への変換時に、電磁ノイズの発生を低減できる燃料電池システムを得る。【解決手段】発電セル１２１を積層したスタック１１１と、上記スタック１１１より得られた直流電力を交流電力に変換するインバータ１０１とを備え、上記交流電力を負荷に供給する燃料電池システムにおいて、上記スタック１１１と上記インバータ１０１の組を複数組有し、かつ上記スタック１１１〜１１３を互いに絶縁すると共に、上記インバータ１０１〜１０３の各出力を直列接続し、上記各出力の中から所望の組み合わせを時間と共に選択し、時間と共に選択し組合わされた各出力の総和で上記負荷に供給する上記交流電力を生成させる。【選択図】図１
2005174762.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
発電セルを積層したスタックと、上記スタックより得られた直流電力を交流電力に変換するインバータとを備え、上記交流電力を負荷に供給する燃料電池システムにおいて、
上記スタックと上記インバータの組を複数組有し、かつ上記スタックを互いに絶縁すると共に、上記インバータの各出力を直列接続し、上記各出力の中から所望の組み合わせを時間と共に選択し、時間と共に選択し組合わされた各出力の総和で上記負荷に供給する上記交流電力を生成させるようにしたことを特徴とした燃料電池システム。
【請求項２】
上記インバータを制御することにより、交流出力を時間分割した各時間に対して、直列接続された上記各出力の中から所望の組み合わせ出力を選択して交流電力を生成するようにしたことを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項３】
交流出力の時間分割は非等分分割であり、非等分分割された各時間に対して、直列接続された上記各出力の中から所望の組み合わせ出力を選択して交流電力を生成するようにしたことを特徴とする請求項２記載の燃料電池システム。
【請求項４】
互いに絶縁された上記スタックを一括積層したことを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項５】
上記スタック間を絶縁する絶縁手段には冷却水の迂回路を設けたことを特徴とする請求項４記載の燃料電池システム。
【請求項６】
上記スタック間を絶縁する絶縁手段の排出側に酸化剤ガスの迂回路を設けたことを特徴とする請求項４又は請求項５記載の燃料電池システム。
【請求項７】
積層する発電セルの枚数を変えることで、互いに絶縁された上記スタックより得られる直流電力に重み付けをしたことを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項８】
複数の上記スタックの中で最小直流電力を出力するスタックを、その他のスタックで挟み込むように一括積層したことを特徴とする請求項７記載の燃料電池システム。
【請求項９】
隣り合った上記スタックのインバータの出力を、上記スタックの積層順に直列接続したことを特徴とする請求項７又は請求項８記載の燃料電池システム。
【請求項１０】
一定時間内における、直流電力を得ている時間の合計が、全てのスタックで同じようにすることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項１１】
一定時間内における、直流電力を得ている時間の合計が、全てのスタックで同じになるように設定すると共に、発電セルの特性に応じて、直流電力を得る時間を微調整するようにしたことを特徴とする請求項１０記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、水素と酸素との化学反応により電気エネルギーを発生させる燃料電池を有する燃料電池システムに関し、特に、発電スタックにて発生した電気エネルギーを電磁ノイズの発生を低減して交流電力に変換する燃料電池システムに係わる。
【背景技術】
【０００２】
従来より、水素と酸素との電気化学反応を利用して発電を行い、負荷に電力を供給する燃料電池システムが知られている。この電力をより多く得るために、従来の燃料電池システムにおいては、複数の発電セルを積層した１個の発電スタックにて発生した直流電力を、１つのインバータで一括して交流電力に変換させる構成にしている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】特開２００２−１８４４４３号公報（段落番号００１７および００２５、図１および図２）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来の燃料電池システムでは、直流電力を交流電力に変換するインバータとして、比較的電圧歪みの少ないパルス幅変調方式を採用している。このパルス幅変調のスイッチング周波数は、一般には１０ｋＨｚ程度の高周波が知られており、発電スタックを直列に接続することによる高い直流電圧をスイッチングすることと相まって、電磁ノイズの発生が極めて大きいという問題点があった。
【０００５】
この発明は、上述のような問題点を解消するためになされたもので、電磁ノイズの発生が低減できる燃料電池システムを得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
この発明に係わる燃料電池システムは、発電セルを積層したスタックと、上記スタックより得られた直流電力を交流電力に変換するインバータとを備え、上記交流電力を負荷に供給する燃料電池システムにおいて、上記スタックと上記インバータの組を複数組有し、かつ上記スタックを互いに絶縁すると共に、上記インバータの各出力を直列接続し、上記各出力の中から所望の組み合わせを時間と共に選択し、時間と共に選択し組合わされた各出力の総和で上記負荷に供給する上記交流電力を生成させるようにしたものである。
【発明の効果】
【０００７】
この発明の燃料電池システムによれば、電磁ノイズの発生を低減できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１における燃料電池システムを示す構成図である。図１（ａ）において、発電部１０４は、両側（紙面上、上下方向）に具備された端締付板１および端絶縁板２の間に、絶縁板（絶縁手段）３、および絶縁板３の両側（紙面上、上下方向）に具備された絶縁蓋４で絶縁されたスタック１１１〜１１３が複数個積層されている。この積層された複数個（この場合３個）のスタック１１１〜１１３、複数個の絶縁板３（この場合２個）、複数個の絶縁蓋４（この場合４個）、２個の端締付板１、および２個の端絶縁板２を、４組のボルト５、およびナット６によって、４ヶ所（図１（ｂ）参照）で一括締付されている。スタック１１１〜１１３は、それぞれ複数の発電セル１２１を、両側（紙面上、上下方向）に具備された２個の電極７で挟み込むように構成されている。なお、図１（ｂ）は図１（ａ）をＡ方向から見た平面図である。
【０００９】
次に、発電に欠かせない水素（以下、燃料ガスと称す）と酸素（以下、酸化剤ガスと称す）、および冷却水の発電部１０４に対する供給、および排出について説明する。燃料ガス、酸化剤ガス、および冷却水は、それぞれ燃料ガス入力ポート８、酸化剤ガス入力ポート１２、および冷却水入力ポート１０より供給され、各発電セル１２１内を、図１（ｂ）紙面上、上側から下側へ、さらに、燃料ガスは左側から右側へ、酸化剤ガスは右側から左側へ流れ、燃料ガス出力ポート９、酸化剤ガス出力ポート１３、および冷却水出力ポート１１より排出される。燃料ガス、酸化剤ガス、および冷却水は、各発電セル１２１へは、燃料ガス入力ポート８、酸化剤ガス入力ポート１２、および冷却水入力ポート１０と同心上にある、端締付板１、端絶縁板２、電極７、発電セル１２１、および絶縁蓋４を貫通した図示しない孔により供給されるが、スタック１１３の紙面上、上側の電極７、および紙面上、上側の端絶縁板２と端締付板１には、この孔は設けられておらず、また絶縁板３内には迂回路が介在している場合もある。各発電セル１２１から、燃料ガス、酸化剤ガス、および冷却水は、燃料ガス出力ポート９、酸化剤ガス出力ポート１３、および冷却水出力ポート１１と同心上にある、絶縁蓋４、発電セル１２１、電極７、端絶縁板２、および端締付板１を貫通した図示しない孔により排出されるが、スタック１１１の紙面上、下側の電極７、および紙面上、下側の端絶縁板２と端締付板１には、排出用の孔は設けられておらず、また絶縁板３内には迂回路が介在している場合もある。なお、発電セル１２１内の流路、および絶縁板３内の迂回路（一例として、蛇行流路２９）の説明については後述する。
【００１０】
電極７は、平滑コンデンサと半導体スイッチング素子とダイオード等で構成されたインバータ１０１〜１０３に接続されており、図からもわかるように、スタック１１１とインバータ１０１、スタック１１２とインバータ１０２、およびスタック１１３とインバータ１０３は、それぞれ一対の関係にある。インバータ１０１〜１０３は、ブリッジ構成された半導体スイッチング素子の出力を介して、直列接続されており、さらに、インバータ１０１の紙面上、下側の出力と、インバータ１０３の紙面上、上側の出力が、図示しないモーター等の負荷に接続され、この負荷に対し、交流電力を供給している。各インバータ１０１〜１０３の出力（＋出力、−出力）、停止は出力制御部１０５により制御される。
【００１１】
続いて、発電セル１２１の内部構造を、図２に基づいて説明する。図２は、図１（ｂ）における断面Ｂ−Ｂのうち、発電セル１２１の１組のみを拡大した断面図である。高分子膜１６の両側（紙面上、上下方向）にカソード電極１５とアノード電極１７とが接合一体化された電極・膜接合体１３１を、酸化剤ガス用セパレータ１４と燃料ガス用セパレータ１８により挟み込むことで発電セル１２１が構成されている。酸化剤ガス用セパレータ１４には後述する酸化剤ガス用流路２１が、燃料ガス用セパレータ１８には、やはり後述する燃料ガス用流路２４が具備されており、さらに、燃料ガス用セパレータ１８には冷却水用流路２７が具備されている。この発電セル１２１を複数組、例えば、図１（ａ）に示すように、４組をそれぞれ２個の電極７で挟み込んでスタック１１１〜１１３を構成していることは前述の通りである。なお、図２において、紙面上、上側にカソード電極１５が、下側にアノード電極１７が配置されているが、上下逆でもよい（なお、図１の回路結線的には、紙面上、上側がアノード電極（＋）で、下側がカソード電極（−）の場合である）。ただし、カソード電極１５と酸化剤ガス用セパレータ１４、およびアノード電極１７と燃料ガス用セパレータ１８は、常に隣接して配置しておく必要がある。また、冷却水用流路２７は酸化剤ガス用セパレータ１４に具備されていてもよい。
【００１２】
酸化剤ガス用セパレータ１４における酸化剤ガスの流路を、図３に基づいて説明する。図３は、図１において、Ａ方向から見た酸化剤ガス用セパレータ１４のみの斜視図である。酸化剤ガスは、酸化剤ガス入力ポート１２（図１参照）と同心上にある酸化剤ガス用供給孔１９から、酸化剤ガス用流路２１を通って、酸化剤ガス用出力ポート１３（図１参照）と同心上にある酸化剤ガス用排出孔２０より抜けていく。酸化剤ガス用流路２１は、電極・膜接合体１３１（図２参照）との接触面より一段低い凹状の溝であるが、この電極・膜接合体１３１と積層されることで筒状の流路として作用する。
【００１３】
燃料ガス用セパレータ１８における燃料ガスの流路を、図４に基づいて説明する。図４は、図１において、Ｃ方向から見た燃料ガス用セパレータ１８のみの斜視図である。燃料ガスは、燃料ガス入力ポート８（図１参照）と同心上にある燃料ガス用供給孔２２から、燃料ガス用流路２４を通って、燃料ガス出力ポート９（図１参照）と同心上にある燃料ガス用排出孔２３より抜けていく。燃料ガス用流路２４は、電極・膜接合体１３１（図２参照）との接触面より一段低い凹状の溝であるが、この電極・膜接合体１３１と積層されることで筒状の流路として作用する。
【００１４】
続いて、燃料ガス用セパレータ１８における冷却水の流路を、図５に基づいて説明する。図５は、図１において、Ａ方向から見た燃料ガス用セパレータ１８のみの斜視図である。冷却水は、冷却水入力ポート１０（図１参照）と同心上にある冷却水用供給孔２５から、冷却水用流路２７を通って、冷却水出力ポート１１（図１参照）と同心上にある冷却水用排出孔２６より抜けていく。冷却水用流路２７は、酸化剤ガス用セパレータ１４（図２参照）との接触面より一段低い凹状の溝であるが、この酸化剤ガス用セパレータ１４、あるいは電極７（図１参照）と積層されることで筒状の流路として作用する。
【００１５】
この実施の形態１では、スタック１１１〜１１３を積層するにあたり、各スタック間の絶縁を特に強化しておく必要がある。この絶縁には前述の通り、絶縁板３がその役目を担っているが、その構造について図６，図７に基づいて説明する。図６は、図１において、Ａ方向から見た絶縁板３のみの斜視図、図７は、図６の断面Ｄ−Ｄにおける断面図である。供給された冷却水は発電セル１２１を貫通した後、冷却水入力ポート１０（図１参照）、および冷却水用供給孔２５（図５参照）と同心上にある導入口２８に達し、一旦、蛇行流路２９を経て、貫通孔３０を通ったのち、蛇行流路２９の反対面に設けられている蛇行流路３１を経て、連絡口３２より次の発電セル１２１へ供給される。燃料ガス用セパレータ１８をそれぞれ通り排出された冷却水も同様に、冷却水出力ポート１１（図１参照）、および冷却水用排出孔２６（図５参照）と同心上にある導入口３３から入り、蛇行流路３４、貫通孔３５、蛇行流路３４の反対面に設けられた蛇行流路３６を通った後、連絡口３７より出ていく。このように、導入口および連絡口から離れた距離に貫通孔を配置、換言すれば、導入口と連絡口の間の絶縁沿面距離を確保することで、絶縁板３の絶縁性を高めている。なお、導入口２８および３３、蛇行流路２９、３１、３４および３６、連絡口３２および３７は、絶縁蓋４（図１（ａ）参照）との接触面より一段低い凹状の溝であるが、この絶縁蓋４と積層されることで筒状の流路として作用する。
【００１６】
さらに、酸化剤ガスの排出についても、酸化剤ガス出力ポート１３（図１参照）、および酸化剤ガス用排出孔２０（図３参照）と同心上にある導入口３８および連絡口４２の間を、流路３９、貫通孔４０、および流路４１で繋ぐことで、やはり絶縁板３の絶縁性を高めている。なお、図６，図７では、酸化剤ガスの供給、および燃料ガスの供給・排出は、それぞれ貫通孔４３、４４、および４５となっているが、前述の酸化剤ガスの排出のように、流路経路を具備したものであってもよい。
【００１７】
このように構成された燃料電池システムにおいて、出力制御部１０５の制御にて、インバータ１０１〜１０３からの交流電力を組み合わせて、図示しない負荷へ供給する。具体的には、図８に示すように、例えば商用周波数を１２分割し、この１２分割されたそれぞれの時間Ｔ１〜Ｔ１２に対し、インバータ１０１〜１０３の出力を制御、例えば、時間Ｔ２においては、インバータ１０２および１０３から、また、時間Ｔ４においては、全てのインバータから、出力させることで、図９に示す交流波形に近い波形を生成することができる。
【００１８】
図１０で、例えば、時間Ｔ２とＴ７のときの制御について説明する。時間Ｔ２では、図１でトランジスタＴＲ１〜ＴＲ１２を図１０のＴ２のときで示すように、各トランジスタをＯＮ，ＯＦＦ制御する。すると、電流は、図１で、負荷側の下側端子（−）からインバータ１０１のダイオードＤ１１―ＴＲ９ＯＮ―インバータ１０２のＴＲ８ＯＮ―スタック１２１―ＴＲ５ＯＮ―インバータ１０３のＴＲ４ＯＮ―スタック１２１―ＴＲ１ＯＮ―負荷側の上側端子（＋）に流れる。つまり、インバータ１０１は停止（出力側短絡）、インバータ１０２は出力、インバータ１０３は出力となり、インバータ１０２と１０３の出力が加算（総和）されて、負荷側端子間に加わることになる。
【００１９】
同様に、時間Ｔ７では、トランジスタＴＲ１〜ＴＲ１２を図１０のＴ７のときで示すように、各トランジスタをＯＮ，ＯＦＦ制御する。すると、電流は、図１で、負荷側の上側端子（−）からインバータ１０３のＴＲ２ＯＮ―スタック１２１―ＴＲ３ＯＮ―インバータ１０２のＴＲ６ＯＮ―ダイオードＤ８―インバータ１０１のＴＲ１０ＯＮ―ダイオードＤ１２―負荷側の下側端子（＋）に流れる。つまり、インバータ１０３は出力、インバータ１０２は停止（出力側短絡）、インバータ１０１は停止（出力側短絡）となり、インバータ１０３の出力のみが、負荷側端子間に加わることになる。このようにして、図９に示す交流出力Ｔ１〜Ｔ１２が出力制御部１０５のインバータ１０１〜１０３制御により、負荷側端子間に加えることができる。
【００２０】
したがって、スタック１１１〜１１３で得られる直流電力をパルス幅変調する必要が無いので、電磁ノイズの発生を低く抑えることが可能となる。また、発電部１０４の絶縁性能強化、あるいは小型化の視点で捉えた場合、絶縁板３に冷却水の蛇行流路２９（迂回路）を設けることが好ましく、さらに、排出された酸化剤ガスの流路３９，４０，４１（迂回路）を設けるとなおよい。したがって、スタック１１１〜１１３を積層するにあたり、冷却水、あるいは排出された酸化剤ガスの導電性、換言すれば、これらによる湿気での絶縁低下を防ぐことができるので、スタック間の絶縁距離を広げる、つまり絶縁板３をむやみに厚くしなくてもよく、燃料電池システムの小型化に効果を奏する。
【００２１】
以上、これまでの説明では、スタックを３個直列に接続していたが、４個以上がそれぞれ絶縁板３を挟み、直列に接続されていても同様の効果が得られるのは言うまでもない。また、絶縁蓋、および絶縁板を伴う積層ではなく、それぞれのスタックに、２個の端締付板、および２個の端絶縁板を設け、これを一つの独立したユニットとして、燃料電池システムを構築してもよい。
【００２２】
実施の形態２．
実施の形態１では、スタック１１１〜１１３を構成する発電セル１２１は、それぞれのスタック１１１〜１１３において同数となっているが、図１１に示すように、発電セル１２１の積層数を変化させた燃料電池システムを実施の形態２として説明する。スタック１１１の出力をＶ１、スタック１１２の出力をＶ２、およびスタック１１３の出力をＶ３とすると、例えば、Ｖ１：Ｖ２：Ｖ３＝１：２：４になるように、スタック１１１〜１１３における発電セル１２１の積層数に差を持たせる。具体的には、図１１からもわかるように、スタック１１１の発電セル１２１は４組、スタック１１２の発電セル１２１は８組、スタック１１３の発電セル１２１は１６組とする。なお、このように複数の分割されたスタックの発電セルに差をもたせることを、「重み付けした分割」と便宜上呼ぶこととする。
【００２３】
このように構成された燃料電池システムにおいて、出力制御部１０５（図１と同様につき省略している。）にて、インバータ１０１〜１０３からの交流電力を組み合わせて、図示しない負荷へ供給する。具体的には、図１２に示すように、例えば商用周波数を３２分割し、この３２分割されたそれぞれの時間Ｔ１〜Ｔ３２に対し、インバータ１０１〜１０３の出力を制御する。この出力については、前述の通り、各スタックの発電セルの数に差を持たせているので、例えば、時間Ｔ３とＴ５における出力は、それぞれ２個のインバータによって構成されているものの、インバータ１０２と１０３の出力レベルが違うため、トータル出力も異なっている。つまり、図１３からもわかるように、正負各７レベルから成る交流波形を生成することができる。したがって、この重み付けした分割を実施することにより、具備されるスタックが比較的少数であっても、より多くの交流電圧で構成される交流電力を得ることができる。
【００２４】
ところで、この実施の形態２では、図１２で示した各インバータの出力および停止状態を、タイムチャートに書き改めた図１４からもわかるように、各インバータとも１サイクルあたりの出力時間は、３２分割された時間（商用周波数５０Ｈｚとすると、０．６２５ｍｓ）の２０個分（よって、０．６２５×２０＝１２．５ｍｓ）となっている。つまり、各インバータの１サイクルあたりに占める出力時間（以下、デューティーと称す）は、全てのインバータにおいて等しくなるよう制御されている。これは、デューティーを同じにすることで、各スタックの平均出力電圧に変化を生じさせないためである。よって、より高い発電効率を有した燃料電池システムを得ることができる。
【００２５】
図１３では、３２分割された時間Ｔ１〜Ｔ３２は、いわゆる等分分割した場合を示したが、より滑らかな交流波形を得るために、図１５に示すように、非等分分割されるケースも有り得る。例えば、時間Ｔ１とＴ３において、インバータ１０１から出力されているが、このＴ１とＴ３とでは、時間幅が異なっている。しかしながら、図１６に示すように、各インバータのデューティーが同じ（このケースでは、Ｔ１の時間幅を基準とすると、４０／５６）であれば、前述の通り、より高い発電効率を有した燃料電池システムを得ることができる。
【００２６】
また、図１１では、重み付けした分割順に、各スタックを紙面上、下方から上方に向かって積層しているが、図１７に示すように、発電セル１２１の積層数の一番少ないスタック（この場合、１１１）を他のスタックで挟んだ積層にしてもよい。このことは、スタック１１１の体積あたりの発熱量が少ない、つまりスタック１１１の内部温度の低下による各スタックの温度差が小さくできるので、さらに発電効率を高めた燃料電池システムを得ることができる。
【００２７】
なお、図１７では、図１あるいは図１１同様、隣りあったスタックが、スタックに対応したインバータ内のブリッジ構成された半導体スイッチング素子の出力を介して直列接続されるとともに、インバータ１０１の紙面上、下側の出力と、インバータ１０３の紙面上、上側の出力が、図示しないモーター等の負荷に接続されているが、これは重み付けした分割順に関係なく、積層順に接続しておかないと、スタック間で発生する電圧が大きくなるからである。
【００２８】
以上、これまでの説明では、各インバータのデューティーを１サイクルの範囲で等しくなるよう制御していたが、この１サイクルに限定されるわけではなく、例えば、数サイクル（実験結果では、５サイクル程度が好ましい）に跨って、各インバータのデューティーが等しくなるように制御されたものであってもよい。
【００２９】
実施の形態３．
これまでの説明では、発電セル１２１から得られる直流電力は、全て同一であると仮定して述べてきた。しかし、実使用上においては、発電セル１２１の製造時のバラツキや経時変化などにより、それぞれの発電セルの出力特性にバラツキが生じることがある。具体的には図１８に示すように、例えば、２個の発電セル１２１−１および１２１−２の単位セル電圧と電流密度の関係を一つのグラフに表すと、出力電流Ｉｏを同じにしようとすれば、発電セル１２１−２の出力電圧がΔＶほど低くなることがわかる。
【００３０】
したがって、この状態のまま、スタックを構成し、直流電力を出力したとしても、インバータにおいて合成した階段状波形の一つのステップ電圧値、つまり任意の時間Ｔｎにおける電圧値に影響を及ぼしてしまう。また、前述の通り、高い発電効率を有する燃料電池システムを得るためには、各スタックの平均出力電圧が等しいことが求められる。換言すれば、デューティーが悪い、つまり出力時間が長くなるとスタックの出力電圧が低くなり、発電効率が劣る。このことは、発電セル１２１の単位セル電圧にとっても同様であり、単位セル電圧の低い発電セル１２１は、その発電効率も悪い。よって、言うまでもないが、各発電セルの単位セル電圧に差がある状態での総合効率は、その差が無い状態に比べ悪くなる。そこで、各発電セルの単位セル電圧に差がある場合での、各スタックの平均出力電圧を合わせることを、実施の形態３として説明する。
【００３１】
図１９はこの発明の実施の形態３における燃料電池システムを示す構成図である。なお、上記実施の形態１と同一の部材については同一の符号を付して説明を省略し、以下、異なる部材についてのみ説明を行う。スタック１１１〜１１３は、実施の形態２と同様、重み付けした分割順に積層されており、このスタック１１１〜１１３を構成する一部品である電極７は、平滑コンデンサと半導体スイッチング素子で構成されたインバータ１０１〜１０３に接続されるとともに、出力制御部１０５に接続されている。この出力制御部１０５からの信号は、インバータ１０１〜１０３に送られている。
【００３２】
インバータ１０１〜１０３は、ブリッジ構成された半導体スイッチング素子の出力を介して直列接続されるとともに、インバータ１０１の紙面上、下側の出力が直接、また、インバータ１０３の紙面上、上側の出力が常時短絡スイッチ４６を介して、それぞれ負荷４９に接続されている。さらに、このインバータ１０１の紙面上、下側、およびインバータ１０３の紙面上、上側の出力は、常時開放スイッチ４７および試験用抵抗４８を介して、接続されている。なお、常時短絡スイッチ４６と常時開放スイッチ４７は、一方が短絡の場合は他方は開放、一方が開放の場合は他方は短絡、というように連動している。
【００３３】
このように構成された燃料電池システムにおいて、その運転開始にあたり、図示しない補正ボタンを押したときに限り、常時短絡スイッチ４６が開放するとともに、常時開放スイッチ４７は短絡し、インバータ１０１〜１０３で組み合わされた交流電力は、試験用抵抗４８を試験用定電流Ｉｔとして流れ、常時開放スイッチ４７が短絡された情報が出力制御部１０５に送られる。ここで、スタック１１１の出力をＶａ、スタック１１２の出力をＶｂ、およびスタック１１３の出力をＶｃとすると、この状態において、Ｖａ、Ｖｂ、およびＶｃがモニター測定され、出力制御部１０５に入力される。出力制御部１０５では、ＶａおよびＶｂ、ＶｃをＶａと同数の発電セル１２１に換算した値（この場合、Ｖｂ／２およびＶｃ／４）、さらに既定の試験用定電流Ｉｔより、各スタックの出力電圧の補正値を演算する。
【００３４】
具体的には、例えば、試験用定電流Ｉｔを２０ｍＡ、換算後のＶａを０．７Ｖ、Ｖｂを０．６８Ｖ、Ｖｃを０．６７Ｖとすると、各スタックの出力特性は図２０で示される。なお、この例では、各スタックの使用領域での特性曲線の傾きは−０．５となっているが、これは、セパレータ１４および１８、電極・膜接合体１３１、スタック１１１〜１１３などの設計構造によって決まる値であり、当然の如く、その設計構造の違いにより、特性曲線の傾きも異となってくる。
【００３５】
この各スタックの出力特性より、例えば、Ｖａを基準電圧とした場合の、ＶｂおよびＶｃにおける０．７Ｖを出力するのに必要な電流を算出する。スタック１１２が０．７Ｖを出力するのに必要な電流をＩｂ、スタック１１３が０．７Ｖを出力するのに必要な電流をＩｃとすると、図２０よりＩｂ、Ｉｃは、
Ｉｂ＝Ｉｔ−（（Ｖａ−Ｖｂ）／０．５）
Ｉｃ＝Ｉｔ−（（Ｖａ−Ｖｃ）／０．５）
で求められ、それぞれＩｂ＝１９．９６ｍＡ、Ｉｃ＝１９．９４ｍＡとなる。
【００３６】
このＩｂおよびＩｃより、インバータ１０２および１０３のデューティーの低減率を算出する。具体的には、
Ｉｂ／Ｉｔ＝０．９９８、Ｉｃ／Ｉｔ＝０．９９７
より、インバータ１０２および１０３の１サイクルあたりの出力時間を、インバータ１０１に対し、それぞれ９９．８％、９９．７％に低減されるように、出力制御部１０５はインバータ１０２および１０３の半導体スイッチング素子に対し指示する。この補正が完了次第、常時開放スイッチ４７が開放、常時短絡スイッチ４６が短絡し、補正されたインバータの出力が組み合わされて、交流電力として負荷４９へ供給される。したがって、各発電セルの単位セル電圧に差がある場合でも、高い発電効率を有した燃料電池システムを得ることができる。
【００３７】
なお、実施の形態１〜３では、単相交流出力について述べたが、三相交流出力の場合でも同様な方式で電磁ノイズの発生を低減した燃料電池システムが得られることは言うまでもない。さらにまた、直流電力の発生手段は、これまで説明した燃料電池に限るわけではなく、蓄電池、あるいは太陽光発電セルなどを複数個直列接続している場合においても、同様な方式で電磁ノイズの発生を低減した交流電力発生システムを得ることができる。
【産業上の利用可能性】
【００３８】
上述の技術は、直流電力の発生手段として、これまで説明した燃料電池に限るわけではなく、蓄電池、あるいは太陽光発電セルなどを複数個直列接続している場合においても、同様な方式で、電磁ノイズの発生を低減した交流電力発生システムを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】この発明の実施の形態１における燃料電池システムを示す構成図である。
【図２】図１（ｂ）において断面Ｂ−Ｂに沿う発電セルのみの断面図である。
【図３】図１（ａ）においてＡ方向から見た酸化剤ガス用セパレータのみの斜視図である。
【図４】図１（ａ）においてＣ方向から見た燃料ガス用セパレータのみの斜視図である。
【図５】図１（ａ）において冷却水の流路を示すためにＡ方向から見た燃料ガス用セパレータのみの斜視図である。
【図６】図１（ａ）においてＡ方向から見た絶縁板の斜視図である。
【図７】図６の断面Ｄ−Ｄに沿う断面斜視図である。
【図８】図１（ａ）のインバータの出力を表す図である。
【図９】図８を交流出力波形に置き換えた図である。
【図１０】図１（ａ）のインバータの制御を説明する図である。
【図１１】実施の形態２の燃料電池システムを示す構成図である。
【図１２】図１１のインバータの出力を表す図である。
【図１３】図１２を交流出力波形に置き換えた図である。
【図１４】図１３を各インバータ毎のタイムチャートに置き換えた図である。
【図１５】実施の形態２の燃料電池システムの変形例で、出力を交流出力波形に置き換えた図である。
【図１６】図１５を各インバータ毎のタイムチャートに置き換えた図である。
【図１７】実施の形態２の燃料電池システムの変形例を示す構成図である。
【図１８】実施の形態３の燃料電池システムにおける、発電セルの出力特性を示す図である。
【図１９】実施の形態３の燃料電池システムを示す構成図である。
【図２０】図１９の各スタックの出力特性を示す図である。
【符号の説明】
【００４０】
１  端締付板                            ２  端絶縁板
３  絶縁板                              ４  絶縁蓋
５  ボルト                              ６  ナット
７  電極                                ８  燃料ガス入力ポート
９  燃料ガス出力ポート                １０  冷却水入力ポート
１１  冷却水出力ポート                  １２  酸化剤ガス入力ポート
１３  酸化剤ガス出力ポート              １４  酸化剤ガス用セパレータ
１５  カソード電極                      １６  高分子膜
１７  アノード電極                      １８  燃料ガス用セパレータ
１９  酸化剤ガス用供給孔                ２０  酸化剤ガス用排出孔
２１  酸化剤ガス用流路                  ２２  燃料ガス用供給孔
２３  燃料ガス用排出孔                  ２４  燃料ガス用流路
２５  冷却水用供給孔                    ２６  冷却水用排出孔
２７  冷却水用流路                      ２８  導入口
２９  蛇行流路                          ３０  貫通孔
３１  蛇行流路                          ３２  連絡口
３３  導入口                            ３４  蛇行流路
３５  貫通孔                            ３６  蛇行流路
３７  連絡口                            ３８  導入口
３９  流路                              ４０  貫通孔
４１  流路                              ４２  連絡口
４３〜４５  貫通孔                      ４６  常時短絡スイッチ
４７  常時開放スイッチ                  ４８  試験用抵抗
４９  負荷
１０１〜１０３  インバータ              １０４  発電部
１０５  出力制御部                      １１１〜１１３  スタック
１２１  発電セル
ＴＲ１〜ＴＲ１２  トランジスタ          Ｄ８，Ｄ１１，Ｄ１２  ダイオード。
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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