(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池の直流出力を出力指令により交流に変換して出力するインバータの出力制御方法において、
燃料電池の計測電流から性能劣化しない状態の燃料電池の電圧を推定し、この推定電圧を燃料電池の計測電圧で除算して劣化度を算出し、この劣化度の逆数を燃料電池に供給される燃料流量から推定した性能劣化しない状態の電池出力上限値に乗算して現在の電池出力上限値を算出し、この現在の出力上限値と前記出力指令のうち大きくない方の値をインバータに指令することを特徴とする燃料電池用インバータの出力制御方法。
【請求項２】
燃料電池の直流出力を出力指令により交流に変換して出力するインバータの出力制御回路において、
燃料電池の計測電流から性能劣化しない状態の燃料電池電圧を示す関数を発生する第１関数発生器と、この第１関数発生器より得られた燃料電池電圧を燃料電池の計測電圧で除算して劣化度を算出する除算器と、燃料電池に供給される燃料流量から性能劣化しない状態の電池出力上限値を示す関数を発生する第２関数発生器と、この第２関数発生器の電池出力に前記劣化度の逆数を乗算して現在の電池出力上限値を算出する乗算器と、この現在の電池出力上限値と前記出力指令を比較して大きくない方の値を選択し前記インバータに指令する低値選択器と、を備えたことを特徴とする燃料電池用インバータの出力制御回路。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池の直流出力を交流に変換するインバータの出力制御方法と回路に関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池は天然ガスなどに水蒸気を加え水素を含むアノードガスに改質し、アノードに供給し、カソードに酸素を含むカソードガスを供給して燃焼し化学反応により直流を発生する。この直流をインバータで交流に変換して外部に供給する。インバータは出力指令に基づいて直流を交流に変換する。
【０００３】
図４は従来の燃料電池とインバータの出力制御を示す図である。燃料電池１のアノードには、燃料が流量制御弁２で調整され水蒸気を加えて改質器３で水素ガスを含むアノードガスに改質されて供給される。燃料電池１で発生した直流の電力はインバータ４に供給され、インバータ４では交流（ＡＣ）出力指令５に基づき交流（ＡＣ）を出力する。流量制御部９は流量計６で燃料流量を計測し、電流計７で電池直流電流を計測し、電流値に応じた燃料流量となるように流量制御弁２を制御する。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ＡＣ出力指令５に基づきインバータ４は出力を調整するが、燃料流量は電池発生電流に応じて制御されるため、インバータ４の出力のフイードバックが燃料制御にかからない。このため燃料電池１の発生可能な電力より大きなＡＣ出力指令が出されると、短時間的に発生する直流電力が電池の許容値より多くなり電池に損傷を与えたり寿命を短くしていた。
【０００５】
本発明は、上述の問題点に鑑みてなされたもので、燃料電池から発生可能な電力より多くの電力をとることを防止した燃料電池用インバータ の出力制御方法と回路を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため請求項１の発明では、燃料電池の直流出力を出力指令により交流に変換して出力するインバータの出力制御方法において、燃料電池の計測電流から性能劣化しない状態の燃料電池の電圧を推定し、この推定電圧を燃料電池の計測電圧で除算して劣化度を算出し、この劣化度の逆数を燃料電池に供給される燃料流量から推定した性能劣化しない状態の電池出力上限値に乗算して現在の電池出力上限値を算出し、この現在の出力上限値と前記出力指令のうち大きくない方の値をインバータに指令する。
【０００７】
燃料電池は経時変化などにより性能が劣化しこの劣化は電圧低下となって現れる。燃料電池の出力を算出するにはこの性能劣化を電池の電圧低下から推定する。このため、計測電流値から性能劣化しない状態の電池電圧を求め、この電池電圧と計測電圧との比を求め、この比を劣化度とする。一方燃料流量から性能劣化しない状態の電池出力上限値を求め、この電池出力上限値に劣化度の逆数を乗算して性能劣化を考慮した現在出しうる電池出力上限値を求める。この現在の電池出力上限値と出力指令を比較し小さいか等しい方を選択してインバータへの出力指示とする。これにより燃料電池からインバータが出力を電池発生電力より取り過ぎて燃料電池を破損したり、寿命を短縮することを確実に防止することができる。
【０００８】
請求項２の発明では、燃料電池の直流出力を出力指令により交流に変換して出力するインバータの出力制御回路において、燃料電池の計測電流から性能劣化しない状態の燃料電池電圧を示す関数を発生する第１関数発生器と、この第１関数発生器より得られた燃料電池電圧を燃料電池の計測電圧で除算して劣化度を算出する除算器と、燃料電池に供給される燃料流量から性能劣化しない状態の電池出力上限値を示す関数を発生する第２関数発生器と、この第２関数発生器の電池出力に前記劣化度の逆数を乗算して現在の電池出力上限値を算出する乗算器と、この現在の電池出力上限値と前記出力指令を比較して大きくない方の値を選択し前記インバータに指令する低値選択器と、を備える。
【０００９】
第１関数発生器は電池が性能劣化しない状態の電池電流と電圧との関係を表す関数を内蔵しており、電池計測電流を入力するとこれに対応した電池電圧を発生する。除算器ではこの電池電圧を電池計測電流で除算し劣化度を算出する。第２関数発生器は電池に供給される燃料流量と電池が性能劣化しない状態の電池出力との関係を示す関数を内蔵しており、燃料流量の計測値から性能が劣化しない状態の電池出力上限値を出力する。乗算器はこの電池出力に劣化度の逆数を乗算して現在の電池出力上限値を出力する。低値選択器はこの現在の電池出力上限値と出力指令値とを比較し、小さいか等しい値をインバータへの指令値として出力する。これによりインバータが現在の電池出力上限値以上の出力を取り過ぎて、電池を破損させたり寿命を短縮することを防止できる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図１は本発明の実施形態のインバータ出力制御回路図である。燃料電池１はアノードとカソードからなり、アノードには燃料が供給されカソードに供給される酸素を含むアノードガスとともに電池内で化学反応により直流電力を発生する。燃料としては天然ガスなどが用いられ、流量制御弁２により流量が調整され、水蒸気と混合して改質器３に入り水素を含むアノードガスに改質され、アノードに供給される。燃料電池１で発生した直流（ＤＣ）電力はインバータ４に出力され、ＡＣ（交流）出力指令５に基づいてインバータ４より交流出力（ｋｗ）される。流量制御弁２の出側には流量計６が設けられ、燃料電池１の出力側に電流計７と電圧計１０が設けられている。また燃料電池１のアノード入側にはアノードガスの流量を計測する流量計８が設けられている。流量制御部９は流量計６より燃料ガスの流量を入力し、電流計７より燃料電池１の出力電流を入力して、出力電流に応じた燃料ガスの流量となるよう流量制御弁２を制御する。
【００１１】
第１関数発生器１１は電池性能が劣化していない状態での電池の電圧と電流の関係を関数の形で記憶しており、電流計７より計測電流を入力するとその電流に応じた性能劣化してないときの電池電圧を出力する。電池性能の劣化は経年変化などにより発生し電池電圧の低下となって現れる。図２は第１関数発生器１１で発生する電池電圧と電流の関数を示す図である。電池性能が劣化していなければ電池電流Ｉが一定値までは電池電圧Ｖはほぼ一定であり、一定値を過ぎると急激に低下する。
【００１２】
除算器１２は第１関数発生器１１より出力された電池電圧を電圧計１０の計測電圧で除算しその値を劣化度γとして出力する。第１関数発生器１１より出力された電池電圧は電池性能劣化の発生しないときの電圧であり、計測電圧は性能劣化が生じたときの電圧なのでそれらの商は劣化度γを表す。なお劣化しない状態ではγ＝１である。
【００１３】
第２関数発生器１３はアノードに供給されるアノードガス流量（これを実燃料流量と称する）と性能劣化が生じないときの電池出力の上限値（ｋｗ）との関係を関数の形で記憶しており、流量計８より実燃料流量が入力されるとその値に応じた電池出力上限値（ｋｗ）を出力する。図３は第２関数発生器１３で発生する実燃料流量と電池出力上限値（ｋｗ）の関数を示す図である。電池性能が劣化していなければ実燃料流量の増加に対して直線的に電池出力上限値（ｋｗ）は増加している。
【００１４】
乗算器１４は第２関数発生器１３の電池出力上限値（ｋｗ）に除算器１２の出力の劣化度γの逆数を乗算して燃料電池の性能劣化を考慮した電池出力上限値（ｋｗ）を出力する。低値選択器１５は乗算器１４の出力とＡＣ出力指令５とを比較して小さい方、両者の値が同じであればそのいずれかを選択してインバータ４へ出力指令を行う。インバータ４はこの出力指令に基づきＡＣ出力するので、電池出力以上の出力を瞬時的にも行うことを防止でき、燃料電池の破損を防ぎ、寿命が短くなるのを防止できる。また、本発明は、前述のようにアノードガス流量を用いる代わりに、流量計６の流量やカソード極に供給される空気量を用いることもできる。
【００１５】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明は、第１関数発生器と電池の電圧および電流から電池の劣化度を算出し、電池に供給される燃料流量と第２関数発生器とから劣化しない状態の電池出力上限値を求め、この上限値に劣化度の逆数を乗じて劣化を考慮した電池出力上限値を算出し、この値と出力指令とを比較して大きくてい方の値をインバータに対する出力指令とするので、異常時に燃料流量が必要量供給されなくても、電池出力以上の出力を取り出し電池を破損させたり、寿命を短縮させたりすることを防止できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の実施形態のインバータの出力制御回路である。
【図２】  第１関数発生器の発生する関数を示す図である。
【図３】  第２関数発生器の発生する関数を示す図である。
【図４】  従来のインバータの出力制御回路である。
【符号の説明】
１ 燃料電池
２ 流量制御弁
３ 改質器
４ インバータ
５ ＡＣ出力指令
６，８ 流量計
７ 電流計
９ 流量制御部
１０ 電圧計
１１ 第１関数発生器
１２ 除算器
１３ 第２関数発生器
１４ 乗算器
１５ 低値選択器
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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