JP2003346850A - Fuel cell device and method of operating the device - Google Patents

Fuel cell device and method of operating the device

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JP2003346850A
JP2003346850A JP2002149001A JP2002149001A JP2003346850A JP 2003346850 A JP2003346850 A JP 2003346850A JP 2002149001 A JP2002149001 A JP 2002149001A JP 2002149001 A JP2002149001 A JP 2002149001A JP 2003346850 A JP2003346850 A JP 2003346850A
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fuel cell
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cell unit
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Japanese (ja)
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Kazutoshi Nomoto
和利 野本
Chiaki Kanai
千明 金井
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Sony Corp
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Sony Corp
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fuel cell device capable of preventing the lowering of an output when operating and starting, and a method of operating the fuel cell device. <P>SOLUTION: This fuel cell device comprises a fuel cell 11 for performing a specified power generation based on the supply of fuel, an output monitoring part (sample hold circuit 22) for monitoring the generated output of the fuel cell 11 by measuring the resistance of the fuel cell 11, a control circuit 12 for generating control signals according to signals from the output monitoring part, and output converting parts 15 and 17 disposed between the fuel cell 11 and a load 18 and controlling the generated power from the fuel cell 11 to the load so as to be converted according to the control signals from the control circuit 12. By the measurement of the resistance of the fuel cell 11, a humidifying control is enabled when the fuel cell 11 is dry to realize a stable power generation output. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は水素などの燃料を供
給して発電が可能となる燃料電池装置とその運転方法に
関し、特に運転状態の改善を行いながら運転を継続でき
る燃料電池装置とその運転方法に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a fuel cell device capable of generating power by supplying a fuel such as hydrogen and a method of operating the same, and more particularly to a fuel cell device capable of continuing operation while improving the operation state and its operation. About the method.

【0002】[0002]

【従来の技術】燃料電池は水素ガスやメタノールなどの
燃料流体を供給することで発電体に電力を発生させる装
置であり、一般的にはプロトン伝導体膜を酸素側電極と
水素側電極で挟んだ構造を有している。酸素側電極に
は、酸素を供給するために空気が供給され、他方の水素
側電極には、燃料流体が供給される。燃料電池が発電す
る場合には、イオン交換膜である電解質膜中をプロトン
が移動し、酸素側電極の酸素と反応して電流が発生する
と共に酸素側電極では水が生成される。燃料電池の発電
体部分は電解質膜・電極複合体又はMEA(Membrane E
lectrode Assembly)と呼ばれており、この電解質膜・
電極複合体を単体で或いは平面的に並べることで平面構
造の燃料電池が構成され、或いは積層することで積層構
造(スタック構造)の燃料電池が構成される。
2. Description of the Related Art A fuel cell is a device for generating electric power in a power generator by supplying a fuel fluid such as hydrogen gas or methanol. Generally, a proton conductor membrane is sandwiched between an oxygen electrode and a hydrogen electrode. It has a rigid structure. Air is supplied to the oxygen-side electrode to supply oxygen, and fuel fluid is supplied to the other hydrogen-side electrode. When the fuel cell generates power, protons move in the electrolyte membrane, which is an ion exchange membrane, react with oxygen on the oxygen-side electrode to generate current, and water is generated on the oxygen-side electrode. The power generator part of the fuel cell is an electrolyte membrane / electrode complex or MEA (Membrane E
Electrode Assembly)
A fuel cell having a planar structure is formed by arranging the electrode composites alone or in a plane, or a fuel cell having a stacked structure (stack structure) is formed by stacking the electrode assemblies.

【0003】このような燃料電池は、最近では輸送用車
両などの分野で電気自動車やハイブリッド式車両として
の応用が大きく期待されている他、住宅用電源システム
などについても実用化が期待されており、さらには燃料
電池の軽量性や小型性を活かした携帯機器や小型電源な
どについても研究や開発が進められている。
In recent years, such fuel cells are expected to be greatly applied to electric vehicles and hybrid vehicles in the field of transportation vehicles and the like, and are also expected to be put to practical use in residential power supply systems and the like. Research and development are also being conducted on portable devices and small power supplies that utilize the lightness and compactness of fuel cells.

【0004】[0004]

【発明が解決しようとする課題】一般的に燃料電池を自
動車やコジェネレーションシステムに組み込む場合、改
質器、加湿装置、空気ポンプなどの補器類を連携させて
動作させることで安定的な出力を得ることが可能であ
る。これに対し、小型の小出力で携帯可能な燃料電池シ
ステムについては、このような高価で複雑なシステムを
採用することは必ずしも適切ではない。そこでより単純
な構成である大気開放型セルが考案されているが、この
大気開放型セルは長期間乾燥した環境にさらされた場合
や、高温での運転を急停止したばあいなど、ナフィオン
(商品名)に代表されるパーフルオロスルホン酸系電解
質膜に必要とされる水分が乾燥によって失われることで
出力の低下が起こりうる。
Generally, when a fuel cell is incorporated in an automobile or a cogeneration system, a stable output can be obtained by operating auxiliary devices such as a reformer, a humidifier, and an air pump in cooperation with each other. It is possible to obtain On the other hand, it is not always appropriate to employ such an expensive and complicated system for a small, small-output and portable fuel cell system. Therefore, a simpler open-air cell has been devised, but this open-air cell is used when exposed to a dry environment for a long time or when operation at high temperatures is suddenly stopped. A loss of water required for a perfluorosulfonic acid-based electrolyte membrane typified by trade name) due to drying may cause a decrease in output.

【0005】即ち、燃料電池の1つの形式として自己加
湿型の燃料電池は、電解質膜等に対する湿度を保つため
の加湿装置を持たない構造とされ、このような自己加湿
型の燃料電池は、酸素側電極で生成される水分が電解質
膜を湿潤させ、イオン交換を促進するように構成されて
いる。燃料電池の水分の蒸発制御は燃料電池の発電性能
そのものを制御することになり、出力電圧は発熱に直接
影響し、出力電流は生成水に直接影響する。従って、自
己加湿型の燃料電池は、出力電流に直接影響される生成
水をバランス良く電解質膜を湿潤させるように利用しな
がら、過剰な生成水が発生して酸素の供給路が閉ざされ
ないように運転する必要がある。
That is, as one type of fuel cell, a self-humidifying fuel cell has a structure without a humidifying device for maintaining humidity for an electrolyte membrane or the like. Moisture generated at the side electrodes wets the electrolyte membrane and promotes ion exchange. The evaporation control of the water content of the fuel cell controls the power generation performance of the fuel cell itself, and the output voltage directly affects the heat generation and the output current directly affects the generated water. Therefore, the self-humidifying fuel cell uses generated water that is directly affected by the output current so as to wet the electrolyte membrane in a well-balanced manner, while preventing excessive generated water from being generated and closing the oxygen supply path. Need to drive.

【0006】ところが、上述の如き自己加湿型の燃料電
池においては、運転中に負荷電流を低下させた場合や温
度が上がって蒸散量が増えた場合などでは、電解質膜の
水分が低下して乾燥化する。この乾燥化した燃料電池で
は電解質膜でのイオン交換特性が劣化してしまい、当該
燃料電池の出力そのものが大きく低下してしまう。ま
た、運転中の負荷電流が低下してしまう場合に限らず、
例えば燃料電池を長時間放置した場合にも、放置後の再
始動時には電解質膜は乾燥化した状態にあり、その再始
動後においては再度電解質膜を湿潤させることが容易で
はなく、所要の定格出力が得られるように元の性能まで
回復するまでには何日というような長時間が必要とされ
ていた。特に、このような電解質膜の乾燥化の問題は、
空気の圧送を行わない大気開放型の燃料電池で顕著であ
り、運転後に放置するだけで乾燥化の問題が発生し、出
力特性が短時間で低下すると言う問題がある。
However, in the self-humidifying fuel cell as described above, when the load current is reduced during operation or when the amount of transpiration is increased due to an increase in temperature, the water content of the electrolyte membrane is reduced and the fuel cell is dried. Become In this dried fuel cell, the ion exchange characteristics of the electrolyte membrane are degraded, and the output itself of the fuel cell is greatly reduced. Also, not only when the load current during operation decreases,
For example, even if the fuel cell is left for a long time, the electrolyte membrane is in a dry state when restarting after leaving the fuel cell, and it is not easy to wet the electrolyte membrane again after the restart, and the required rated output It took a long time, such as several days, to recover to the original performance so that it could be obtained. In particular, the problem of drying the electrolyte membrane is as follows.
This is remarkable in an open-to-atmosphere type fuel cell that does not perform air pumping. There is a problem that drying is caused only by leaving the fuel cell after operation, and output characteristics are reduced in a short time.

【0007】また、燃料電池の出力を利用する負荷側の
負荷変動によって燃料電池の出力電流が変動すればその
出力特性から出力電圧も変動することから、燃料電池の
出力にDC-DCコンバーターなどの電圧変換器を設け出力
電圧の安定化を図ることが一般的に行われている。しか
しながら、上述のような環境における出力低下があった
場合には、電圧変換器を設けた場合であっても出力が不
安定になってしまう。
If the output current of the fuel cell fluctuates due to a load fluctuation on the load side using the output of the fuel cell, the output voltage also fluctuates based on the output characteristics. It is common practice to provide a voltage converter to stabilize the output voltage. However, if the output is reduced in the above environment, the output becomes unstable even when the voltage converter is provided.

【0008】一方、一般的には太陽光発電用に、図7に
示す如きシステムが考案されており、このシステムでは
最大電力追従方式(MPPT: Maximum Power Point Tacker
方式)での運転が可能になっている。図7のシステム
では、太陽電池101の出力を利用する負荷107と該
太陽電池101との間に2段のDC-DCコンバーター
103、105が設けられ、2段のDC-DCコンバー
ター103、105の間に出力安定化のための電気二重
層コンデンサ104が配されている。各コンバーター1
03、105からの出力は、それぞれA/D変換されて
制御回路102にモニターされており、その制御回路1
02からの信号によってコンバーター103、105の
出力が制御される。最大電力追従方式による運転では制
御回路102は山登り法により最大電力ポイントをサー
チし、その最大電力ポイントに追従させるように制御を
行う。燃料電池にも同様のシステムを適用することは可
能と思われるが、単なる燃料電池と太陽電池の置換で
は、太陽電池と燃料電池の性質が異なることから最適な
運転制御を行うことが困難となる。これは電池の最大電
力を取り出すことが必ずしも燃料電池の安定性や寿命に
とってよくないからである。
On the other hand, a system as shown in FIG. 7 is generally devised for photovoltaic power generation, and this system employs a maximum power tracking method (MPPT: Maximum Power Point Tacker).
Method). In the system of FIG. 7, two-stage DC-DC converters 103 and 105 are provided between the load 107 that uses the output of the solar cell 101 and the solar cell 101, and the two-stage DC-DC converters 103 and 105 are provided. An electric double layer capacitor 104 for stabilizing the output is provided therebetween. Each converter 1
The outputs from the circuits 03 and 105 are respectively A / D converted and monitored by the control circuit 102.
The output from the converters 103 and 105 is controlled by the signal from the control unit 02. In the operation according to the maximum power tracking method, the control circuit 102 searches for the maximum power point by the hill-climbing method and performs control so as to follow the maximum power point. It seems that the same system can be applied to fuel cells, but it is difficult to perform optimal operation control by simply replacing the fuel cell with the solar cell because the properties of the solar cell and the fuel cell are different. . This is because extracting the maximum power of the cell is not always good for the stability and life of the fuel cell.

【0009】そこで、本発明は、上述の技術的な課題に
鑑み、運転時や起動時の出力低下の問題を未然に防止で
きる燃料電池装置及び燃料電池装置の運転方法の提供を
目的とする。
In view of the above technical problems, an object of the present invention is to provide a fuel cell device and a method of operating the fuel cell device, which can prevent the problem of output reduction during operation and startup.

【0010】[0010]

【課題を解決するための手段】本発明の燃料電池装置
は、燃料の供給に基づき所要の発電を行う燃料電池部
と、前記燃料電池部の抵抗分を測定することによって前
記燃料電池部の発電出力を監視する出力監視部と、前記
出力監視部からの信号に応じて前記燃料電池部からの発
電出力を制御するための制御信号を発生させる制御部
と、前記燃料電池部と負荷との間に配置され前記制御部
からの前記制御信号に応じて該負荷には前記燃料電池部
からの発電出力を変換可能に制御する出力変換部とを有
することを特徴とする。
A fuel cell device according to the present invention includes a fuel cell unit for generating required electric power based on the supply of fuel and a power generation unit for the fuel cell unit by measuring the resistance of the fuel cell unit. An output monitoring unit that monitors an output, a control unit that generates a control signal for controlling a power generation output from the fuel cell unit according to a signal from the output monitoring unit, And an output converter for controlling the load so as to convert the power output from the fuel cell unit according to the control signal from the control unit.

【0011】本発明の燃料電池装置では、燃料の供給に
基づき燃料電池部は所要の発電を行うことが可能である
が、その発電出力は必ずしも一定ではなく、温度や燃料
電池部を構成する電解質膜の乾燥度などによっても変化
する。そこで燃料電池部の抵抗分を直接的に測定するこ
とで、比較的瞬時に前記燃料電池部の発電出力の状態を
把握することができ、制御部からの信号によって出力変
換部を制御することで全体としての的確な制御が実現さ
れる。
In the fuel cell device of the present invention, the fuel cell unit can generate required power based on the supply of fuel. However, the power generation output is not always constant, and the temperature and the electrolyte constituting the fuel cell unit are not always constant. It also changes depending on the degree of drying of the film. Therefore, by directly measuring the resistance of the fuel cell unit, it is possible to grasp the state of the power generation output of the fuel cell unit relatively instantaneously, and to control the output conversion unit by a signal from the control unit. Exact control as a whole is realized.

【0012】また、本発明の他の燃料電池装置は、燃料
の供給に基づき所要の発電を行う燃料電池部と、前記燃
料電池部の抵抗分を測定することによって前記燃料電池
部の発電出力を監視する出力監視部と、前記出力監視部
からの信号に応じて前記燃料電池部からの発電出力を制
御するための制御信号を発生させる制御部と、前記燃料
電池部と負荷との間に配置され前記制御部からの前記制
御信号に応じて運転時に前記燃料電池部からの発電出力
を変換可能に制御する第1の出力変換部と、前記燃料電
池部と負荷との間に配置され前記制御部からの前記制御
信号に応じて前記燃料電池部の抵抗分の測定時に所要の
出力を行う第2の出力変換部とを有することを特徴とす
る。
Further, another fuel cell device of the present invention provides a fuel cell unit for performing required power generation based on the supply of fuel and a power generation output of the fuel cell unit by measuring the resistance of the fuel cell unit. An output monitoring unit for monitoring, a control unit for generating a control signal for controlling a power generation output from the fuel cell unit according to a signal from the output monitoring unit, and a control unit disposed between the fuel cell unit and a load. A first output converter for controlling the power output from the fuel cell unit to be convertible during operation according to the control signal from the control unit; and the control unit disposed between the fuel cell unit and a load. A second output converter for performing a required output when measuring the resistance of the fuel cell unit in response to the control signal from the unit.

【0013】同様に、本発明の燃料電池装置では、燃料
電池部の抵抗分を直接的に測定することで、比較的瞬時
に前記燃料電池部の発電出力の状態を把握することがで
き、制御部からの信号によって出力変換部を制御するこ
とで全体としての的確な制御が実現される。また、運転
時に出力を行う第1の出力変換部と、抵抗分の測定時に
出力を行う第2の出力変換部を分けることで、第1の出
力変換部と第2の出力変換部の特性を異なるように構成
することができ、抵抗分の測定時と運転時の双方でそれ
ぞれ最適な運転が実現される。
Similarly, in the fuel cell device according to the present invention, the state of the power generation output of the fuel cell unit can be grasped relatively instantly by directly measuring the resistance of the fuel cell unit. By controlling the output conversion unit with a signal from the unit, accurate control as a whole is realized. In addition, by separating the first output converter that outputs during operation and the second output converter that outputs when measuring the resistance, the characteristics of the first output converter and the second output converter are changed. It can be configured differently, and optimal operation can be realized both during measurement and operation of the resistance component.

【0014】[0014]

【発明の実施の形態】本発明の好適な実施形態について
図面を参照しながら説明する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.

【0015】[第1の実施形態]本発明の燃料電池装置の
第1の実施形態について図1乃至図4を参照しながら説
明する。図1は第1の実施形態の燃料電池装置のブロッ
ク図である。本実施形態の燃料電池装置は、水素やメタ
ノールなどの燃料の供給に基づき所要の発電を行う燃料
電池11と、該燃料電池11の抵抗分を測定することに
よって燃料電池11の発電出力を監視するための出力監
視部を構成するサンプルホールド回路22と、該サンプ
ルホールド回路22からの信号に応じて燃料電池11か
らの発電出力を制御するための所要のマイクロコンピュ
ータからなる制御回路12と、燃料電池11と負荷18
との間に配置され制御回路からの制御信号に応じて該負
荷には前記燃料電池部からの発電出力を変換可能に制御
する出力変換部であるDC−DCコンバーター15、1
7とを主な構成要素としている。
[First Embodiment] A first embodiment of a fuel cell device according to the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 1 is a block diagram of the fuel cell device according to the first embodiment. The fuel cell device according to the present embodiment monitors the fuel cell 11 that performs required power generation based on the supply of fuel such as hydrogen or methanol, and the power generation output of the fuel cell 11 by measuring the resistance of the fuel cell 11. And a control circuit 12 comprising a microcomputer for controlling a power generation output from the fuel cell 11 in accordance with a signal from the sample and hold circuit 22, and a fuel cell. 11 and load 18
DC-DC converters 15, 1, which are output converters, which are arranged between the DC and DC converters and control the power generation output from the fuel cell unit so as to be able to convert the power generation output according to a control signal from a control circuit.
7 is a main component.

【0016】燃料電池11は、図2にその一例を示すよ
うに、プロトンを透過させる膜である電解質膜41を触
媒層48、49で挟み、さらにその外側を燃料側ガス拡
散層(GDL)43と空気側ガス拡散層(GDL)42
で挟持した構造を有しており、燃料側ガス拡散層43及
び触媒層48に水素やメタノールなどの燃料流体を燃料
極側集電板44の案内溝45を介して供給し、空気側ガ
ス拡散層(GDL)42及び触媒層49に空気を供給す
ることで両電極間に起電力を生じさせる発電体である。
電解質膜41を燃料側ガス拡散層43と空気側ガス拡散
層42で挟持した構造の電解質膜電極複合体は、MEA
(Membrane Electrode Assembly)或いは膜電極接合体と
称される部材である。燃料側ガス拡散層43と空気側ガ
ス拡散層42は、活性物質である水素(第1の活性物
質)及び酸素(第2の活性物質)を触媒層48、49を
配した電解質膜41に供給するための燃料供給機能と、
発生した電力とを集電して負荷に供給する集電機能とを
有し、空気極側は表面に空気孔47を有する空気極側集
電板46を介して電力が取り出され、燃料極側は案内溝
45を有する燃料極側集電板44を介して電力が取り出
される。
As shown in FIG. 2, the fuel cell 11 has an electrolyte membrane 41, which is a membrane through which protons pass, sandwiched between catalyst layers 48 and 49, and further has a fuel-side gas diffusion layer (GDL) 43 outside. And air side gas diffusion layer (GDL) 42
A fuel fluid such as hydrogen or methanol is supplied to the fuel-side gas diffusion layer 43 and the catalyst layer 48 through the guide groove 45 of the fuel-electrode-side current collector plate 44, and the air-side gas diffusion is performed. A power generator that generates an electromotive force between both electrodes by supplying air to the layer (GDL) 42 and the catalyst layer 49.
An electrolyte membrane electrode assembly having a structure in which an electrolyte membrane 41 is sandwiched between a fuel-side gas diffusion layer 43 and an air-side gas diffusion layer 42 is a MEA.
(Membrane Electrode Assembly) or a member called a membrane electrode assembly. The fuel-side gas diffusion layer 43 and the air-side gas diffusion layer 42 supply hydrogen (first active substance) and oxygen (second active substance) as active substances to the electrolyte membrane 41 provided with the catalyst layers 48 and 49. Fuel supply function for
A power collecting function of collecting the generated power and supplying the generated power to a load; power is taken out from an air electrode side through an air electrode side current collector plate 46 having an air hole 47 on its surface; The electric power is extracted through the fuel electrode side current collector plate 44 having the guide groove 45.

【0017】電極製造方法の一例について説明すれば、
白金を担持させたカーボンブラックをフッ素系固体高分
子樹脂に分散させ、十分に攪拌した後、カーボンシート
に塗布し、その後塗布部分を硬化させて形成する。この
ようにカーボンブラックを高分子樹脂に分散させたもの
を塗布する場合、塗布部分を硬化させて電極を形成する
ことで、その電極界面には炭素粒子に囲まれた0.1μ
mから10μm程度の気孔が分布することになる。この
気孔は炭素粒子の間の隙間であって気孔には白金などの
触媒も臨むことになる。
One example of an electrode manufacturing method will be described.
Platinum-supported carbon black is dispersed in a fluorine-based solid polymer resin, stirred sufficiently, applied to a carbon sheet, and then the applied portion is cured to form a carbon black. In the case of applying a material in which carbon black is dispersed in a polymer resin as described above, by curing the applied portion to form an electrode, the electrode interface is surrounded by carbon particles of 0.1 μm.
Pores of about m to about 10 μm will be distributed. These pores are gaps between carbon particles, and a catalyst such as platinum faces the pores.

【0018】空気側ガス拡散層42の表面は燃料極側集
電板44の表面に形成された空気孔47を介して大気開
放されており、長時間乾燥状態で通常に運転した場合な
どでは、空気側電極42の表面や電解質膜が乾燥してし
まい、出力の低下などの問題が発生する。本実施形態で
は、後述するように、運転時において電流遮断法によっ
て、抵抗成分の測定が行われ、最適な運転方法が選択さ
れる。このため電解質膜等の乾燥を未然に防止すること
ができ、出力の低下を抑制することができる。
The surface of the air-side gas diffusion layer 42 is open to the atmosphere through an air hole 47 formed on the surface of the fuel electrode-side current collector plate 44. The surface of the air-side electrode 42 and the electrolyte membrane are dried, and a problem such as a decrease in output occurs. In the present embodiment, as described later, the resistance component is measured by the current interruption method during operation, and an optimal operation method is selected. Therefore, drying of the electrolyte membrane or the like can be prevented beforehand, and a decrease in output can be suppressed.

【0019】このような燃料電池11には温度センサー
が取り付けられており、温度センサーの出力が温度セン
スアンプ21に送られる。一般に燃料電池11の出力は
温度の影響を受けるようになっており、例えば、高温の
ために燃料電池11の乾燥度が高くなった場合では、加
湿を促すように例えばある程度大きな電流を一定時間流
すような制御が行われ、活性物質の反応の活発化によっ
て水の生成を促進させる。水の生成量が大きくなれば、
燃料電池11の乾燥度を下げることができる。温度セン
スアンプ21の出力はA/D(アナログ/デジタル)コ
ンバーター31を介して制御回路12に送られる。従っ
て、制御回路12は、常時燃料電池11の温度をモニタ
ーすることが可能である。
A temperature sensor is attached to such a fuel cell 11, and the output of the temperature sensor is sent to a temperature sense amplifier 21. In general, the output of the fuel cell 11 is affected by the temperature. For example, when the drying degree of the fuel cell 11 becomes high due to high temperature, for example, a relatively large current is supplied for a certain period of time to promote humidification. Such control is performed to promote the production of water by activating the reaction of the active substance. If the amount of water generated increases,
The dryness of the fuel cell 11 can be reduced. The output of the temperature sense amplifier 21 is sent to the control circuit 12 via an A / D (analog / digital) converter 31. Therefore, the control circuit 12 can constantly monitor the temperature of the fuel cell 11.

【0020】燃料電池11の出力側には、サンプルホー
ルド回路22が接続される。サンプルホールド回路22
は、電流遮断(カレントインターラプト)法によって該
燃料電池11の抵抗分を測定することによって燃料電池
11の発電出力を監視するための出力監視部を構成する
回路であり、制御回路12からのタイミングゲート信号
が高レベルの時にサンプリングを行うように制御され
る。このタイミングゲート信号は同時に燃料電池11の
出力段に配されたMOS‐FET13のゲートにも供給
される。制御回路12からのタイミングゲート信号によ
って、このMOS‐FET13は遮断状態となり、サン
プルホールド回路22でのサンプリングによって図4を
用いて後述するように燃料電池11の抵抗分が詳細に測
定されることになる。一例を挙げれば、制御回路12か
らのタイミングゲート信号は、ソース・ドレインの一方
が燃料電池11の出力端子に接続され且つソース・ドレ
インの他方が容量に接続されるサンプリング用MOS‐
FET(図示せず。)のゲートに供給され、制御回路1
2からのタイミングゲート信号が高レベルの時にサンプ
リング用MOS‐FETがオン状態になり、容量が燃料
電池11の出力端子の電圧で充電される。この容量に充
電された電圧値がサンプリングされた電圧であり、その
電圧が制御回路12にA/Dコンバーター32を介して
出力される。
A sample and hold circuit 22 is connected to the output side of the fuel cell 11. Sample hold circuit 22
Is a circuit constituting an output monitoring unit for monitoring the power generation output of the fuel cell 11 by measuring the resistance component of the fuel cell 11 by a current interrupt (current interrupt) method. It is controlled to perform sampling when the gate signal is at a high level. This timing gate signal is also supplied to the gate of the MOS-FET 13 arranged at the output stage of the fuel cell 11 at the same time. The MOS-FET 13 is turned off by the timing gate signal from the control circuit 12, and the resistance of the fuel cell 11 is measured in detail as described later with reference to FIG. Become. As an example, the timing gate signal from the control circuit 12 is a sampling MOS-signal having one of the source and drain connected to the output terminal of the fuel cell 11 and the other of the source and drain connected to the capacitor.
Control circuit 1 is supplied to the gate of an FET (not shown).
When the timing gate signal from 2 is at a high level, the sampling MOS-FET is turned on, and the capacity is charged by the voltage of the output terminal of the fuel cell 11. The voltage value charged in the capacitor is a sampled voltage, and the voltage is output to the control circuit 12 via the A / D converter 32.

【0021】燃料電池11の出力側には、サンプルホー
ルド回路22の他に燃料電池出力電流IFCと燃料電池
出力電圧VFCがモニターされるように構成されてい
る。制御回路12は、燃料電池出力電流IFCをA/D
コンバーター33を介してモニターし、燃料電池出力電
圧VFCをA/Dコンバーター34を介してモニターす
る。制御回路12は、サンプルホールド回路22によっ
て抵抗分測定が可能であるが、運転状態においても燃料
電池出力電流IFCと燃料電池出力電圧VFCがモニタ
ーされ、例えば最大電力追従方式による運転を行う場合
では、山登り法により最大電力ポイントをサーチし、そ
の最大電力ポイントに追従させるように制御を行うこと
が可能である。また、目標電流が設定される定電流モー
ドの運転時では、その電流値を実現するように燃料電池
出力電流IFCと目標電流の差分が制御回路12で計算
される。更に、目標電圧が設定される定電圧モードの運
転時では、その電流値を実現するように燃料電池出力電
圧VFCと目標電圧の差分が制御回路12で計算され
る。
[0021] The output side of the fuel cell 11, in addition to the fuel cell output current I FC and the fuel cell output voltage V FC of the sample-and-hold circuit 22 is configured to be monitored. The control circuit 12, the fuel cell output current I FC A / D
Was monitored via the converter 33, the fuel cell output voltage V FC monitored via the A / D converter 34. The control circuit 12 is the sample-and-hold circuit 22 are possible resistance component measurement, the fuel cell output current I FC and the fuel cell output voltage V FC is monitored even in operating conditions, for example when performing the operation based on the maximum power follow-up scheme In, it is possible to search for the maximum power point by the hill-climbing method and perform control so as to follow the maximum power point. Further, in a time of constant current mode in which the target current is set operation, the difference between the fuel cell output current I FC and the target current is calculated in the control circuit 12 so as to realize the current value. Further, in a time of constant voltage mode in which the target voltage is set operation, the difference between the fuel cell output voltage V FC and the target voltage so as to realize the current value is calculated by the control circuit 12.

【0022】燃料電池11の出力側には、負荷18との
間に燃料電池11からの発電出力を変換可能に制御する
出力変換部である2段のDC−DCコンバーター15、
17が接続される。また、2段のDC−DCコンバータ
ー15、17の間には、出力を安定させるための電気二
重層コンデンサ16が設けらており、さらにDC−DC
コンバーター17の出力部には鉛蓄電池19が配設され
る。図1において、DC−DCコンバーター15が第1
のDC−DCコンバーター(No.1)であり、DC−D
Cコンバーター17が第2のDC−DCコンバーター
(No.2)である。
On the output side of the fuel cell 11, a two-stage DC-DC converter 15, which is an output converter for controlling the power output from the fuel cell 11 to be convertible between the load 18 and the load 18, is provided.
17 is connected. An electric double layer capacitor 16 for stabilizing the output is provided between the two-stage DC-DC converters 15 and 17, and furthermore, a DC-DC converter is provided.
A lead storage battery 19 is provided at the output of the converter 17. In FIG. 1, the DC-DC converter 15 is the first
DC-DC converter (No. 1)
The C converter 17 is a second DC-DC converter (No. 2).

【0023】DC−DCコンバーター15、17は、燃
料電池11側からの電圧の変動を調整して一定の出力を
得るための回路である。DC−DCコンバーター15に
は、制御回路12からの制御信号がデジタル信号をアナ
ログ信号に変換するD/Aコンバーター23を用いて供
給され、このD/Aコンバーター23では更にパルス幅
変調モジュールによって制御信号が所要のパルス幅を有
する信号に変換される。同様に、DC−DCコンバータ
ー17には、制御回路12からの制御信号がデジタル信
号をアナログ信号に変換するD/Aコンバーター24を
用いて供給され、このD/Aコンバーター24では更に
パルス幅変調モジュールによって制御信号が所要のパル
ス幅を有する信号に変換される。例えば、DC−DCコ
ンバーター15の出力を増加させたい場合では、制御回
路12はデジタル信号を演算結果として出力し、その制
御信号がパルス幅の大きなパルス信号に変換されてDC
−DCコンバーター15に供給され、該DC−DCコン
バーター15の出力を増加させるように制御することが
できる。なお、この制御信号の方式としてパルス幅変調
方式は一例に過ぎず、パルス振幅変調(PAM)やパル
ス数変調(PNM)などの各種変調方式を利用しても良
い。このような制御回路12にからの制御によって、後
述する定電圧モードや定電流モードのように安定した発
電出力が可能となる。
The DC-DC converters 15 and 17 are circuits for adjusting a voltage fluctuation from the fuel cell 11 side to obtain a constant output. A control signal from the control circuit 12 is supplied to the DC-DC converter 15 by using a D / A converter 23 for converting a digital signal into an analog signal. In the D / A converter 23, a control signal is further supplied by a pulse width modulation module. Is converted into a signal having a required pulse width. Similarly, a control signal from the control circuit 12 is supplied to the DC-DC converter 17 by using a D / A converter 24 for converting a digital signal into an analog signal. The D / A converter 24 further includes a pulse width modulation module. Thus, the control signal is converted into a signal having a required pulse width. For example, when it is desired to increase the output of the DC-DC converter 15, the control circuit 12 outputs a digital signal as an operation result, and the control signal is converted into a pulse signal having a large pulse width and the DC signal is converted into a DC signal.
-It is supplied to the DC converter 15 and can be controlled so as to increase the output of the DC-DC converter 15. Note that the pulse width modulation method is merely an example as a method of the control signal, and various modulation methods such as pulse amplitude modulation (PAM) and pulse number modulation (PNM) may be used. Such control from the control circuit 12 enables stable power generation output as in a constant voltage mode or a constant current mode described later.

【0024】DC−DCコンバーター15、17の間に
は、放電により負荷電圧を所定の値に維持するための容
量が配設され、特に本実施形態においては容量として電
気二重層コンデンサ(EDLC)16が配設される。電気二
重層コンデンサ16は、例えば活性炭と電解液の界面に
発生する電気二重層を動作原理とするコンデンサであ
り、小型で大きな静電容量が得られると共に過充電や過
放電に強く、耐環境性に優れており、低電圧で優れた充
放電特性を示す。DC−DCコンバーター15、17の
間に電気二重層コンデンサ16を配することで、この電
気二重層コンデンサ16は、燃料電池11の状態に応じ
て運転されるDC−DCコンバーター15によって生じ
た電流と電圧の変動を吸収するためのバッファーとして
機能する。すなわち燃料電池11から電流を意図的に取
り出したい場合、DC−DCコンバーター15は電気二
重層コンデンサ16に電荷を充電し、逆に出力低下など
により電流を取り出したくない場合、DC−DCコンバ
ーター15は電気二重層コンデンサ16に対して充電を
停止する。DC−DCコンバーター17は電気二重層コ
ンデンサ16に既に充電された電荷を放電し、負荷電圧
を一定に維持するようにフィードバックをさせる。ま
た、電気二重層コンデンサ16は、後述するように抵抗
測定動作における電流遮断動作の影響が負荷側に及ぶの
を防止するバッファーの役割も担っている。このように
燃料電池11側と負荷18側がある程度独立した動作が
可能になる。
A capacitor for maintaining the load voltage at a predetermined value by discharging is disposed between the DC-DC converters 15 and 17, and particularly in the present embodiment, an electric double layer capacitor (EDLC) 16 is used as the capacitor. Is arranged. The electric double layer capacitor 16 is a capacitor whose operation principle is, for example, an electric double layer generated at the interface between activated carbon and an electrolytic solution. The electric double layer capacitor 16 is small, has a large capacitance, is resistant to overcharging and overdischarging, and has environmental resistance. And exhibits excellent charge / discharge characteristics at low voltage. By arranging the electric double layer capacitor 16 between the DC-DC converters 15 and 17, the electric double layer capacitor 16 is connected to the electric current generated by the DC-DC converter 15 operated according to the state of the fuel cell 11. Functions as a buffer for absorbing voltage fluctuations. That is, the DC-DC converter 15 charges the electric double layer capacitor 16 with electric charge when the current is intentionally taken out from the fuel cell 11, and conversely, the DC-DC converter 15 becomes The charging of the electric double layer capacitor 16 is stopped. The DC-DC converter 17 discharges the electric charge already charged in the electric double layer capacitor 16 and performs feedback so as to keep the load voltage constant. Further, the electric double layer capacitor 16 also plays a role of a buffer for preventing the influence of the current interruption operation in the resistance measurement operation from affecting the load side, as described later. In this way, the fuel cell 11 and the load 18 can operate to some extent independently.

【0025】DC−DCコンバーター15の出力は、上
述のように制御回路12によって制御されるが、電気二
重層コンデンサ16の周囲の電流と電圧は、燃料電池1
1の出力部と同様にそれぞれモニターされる。具体的に
は、制御回路12によって電気二重層コンデンサ電流I
と電気二重層コンデンサ電圧Vがモニターされる。
制御回路12は、電気二重層コンデンサ電流IをA/
Dコンバーター35を介してモニターし、電気二重層コ
ンデンサ電圧VをA/Dコンバーター36を介してモ
ニターする。この電気二重層コンデンサ16の周囲の電
流と電圧は、DC−DCコンバーター15の出力の電流
と電圧でもあり、DC−DCコンバーター17の出力の
電流と電圧でもある。これらをモニターすることで精度
の高い燃料電池の運転が実現される。
The output of the DC-DC converter 15 is controlled by the control circuit 12 as described above, and the current and voltage around the electric double layer capacitor 16 are controlled by the fuel cell 1
1 is monitored in the same manner as the output unit. Specifically, the control circuit 12 controls the electric double layer capacitor current I
C and an electric double layer capacitor voltage V C is monitored.
The control circuit 12, an electric double layer capacitor current I C to A /
It was monitored via a D converter 35, an electric double layer capacitor voltage V C is monitored through the A / D converter 36. The current and voltage around the electric double layer capacitor 16 are the current and voltage of the output of the DC-DC converter 15 and the current and voltage of the output of the DC-DC converter 17. By monitoring these, highly accurate fuel cell operation is realized.

【0026】DC−DCコンバーター17にもDC−D
Cコンバーター15と同様に制御回路12からの制御信
号がデジタル信号をアナログ信号に変換するD/Aコン
バーター24を用いて供給され、このD/Aコンバータ
ー24では更にパルス幅変調モジュールによって制御信
号が所要のパルス幅を有する信号に変換され、そのパル
ス幅に応じて当該DC−DCコンバーター17の出力電
圧が制御される。このDC−DCコンバーター17の出
力側には、負荷18との間に鉛蓄電池19が配設され
る。この鉛蓄電池19は、負荷18の前段に配設される
2次電池であり、本実施形態ではフローティング接続を
行っている。負荷18の条件に応じて鉛蓄電池19を設
けない構成とすることも可能である。鉛蓄電池19の周
囲の電流と電圧は、電気二重層コンデンサの出力部と同
様にそれぞれモニターされる。具体的には、制御回路1
2によって鉛蓄電池電流Iと鉛蓄電池電圧Vがモニ
ターされる。制御回路12は、鉛蓄電池電流IをA/
Dコンバーター37を介してモニターし、鉛蓄電池電圧
をA/Dコンバーター38を介してモニターする。
また、負荷電流Iも制御回路12にA/Dコンバータ
ー39を介してモニターされる。
The DC-DC converter 17 also has a DC-D
Similarly to the C converter 15, a control signal from the control circuit 12 is supplied by using a D / A converter 24 for converting a digital signal into an analog signal, and the D / A converter 24 further requires a control signal by a pulse width modulation module. And the output voltage of the DC-DC converter 17 is controlled according to the pulse width. On the output side of the DC-DC converter 17, a lead storage battery 19 is arranged between the DC-DC converter 17 and a load 18. The lead storage battery 19 is a secondary battery disposed before the load 18, and has a floating connection in the present embodiment. It is also possible to adopt a configuration in which the lead storage battery 19 is not provided according to the conditions of the load 18. The current and voltage around the lead-acid battery 19 are respectively monitored similarly to the output of the electric double layer capacitor. Specifically, the control circuit 1
Lead-acid battery current I C and the lead-acid battery voltage V C is monitored by two. The control circuit 12, a lead-acid battery current I B A /
The lead-acid battery voltage VL is monitored via an A / D converter 38 and monitored via a D-converter 37.
The load current IL is also monitored by the control circuit 12 via the A / D converter 39.

【0027】概ね以上の如き回路構成を有する本実施形
態の燃料電池装置は、次のように動作する。先ず、本実
施形態の燃料電池装置の通常の運転時には、出力の電流
・電圧は運転状態によって選択できるように設定されて
おり、例示すると、最大電力追従方式での運転や、定電
流モード或いは定電圧モードでの運転が選択される。最
大電力追従方式での運転では、山登り法により最大電力
ポイントをサーチし、サーチされたポイントに追従する
ように装置を動作させる。また、定電流モードは燃料電
池からの電流を一定に保つ運転モードであり、設定され
た目標電流と燃料電池出力電流IFCを比較し、この差
分に応じた量を制御回路12のCPUが演算する。その演
算結果はD/Aコンバーター23より電圧値に変換さ
れ、この電圧がPWMモジュレータによりパルス幅に変換
されてDC−DCコンバーター15に入力される。DC−DCコ
ンバーター15は、そのD/Aコンバーター23からの
パルス幅変調信号を受けて適切な出力値にするように制
御を行う。同様の制御は後段のDC−DCコンバーター17
についても行われる。定電圧モードは、燃料電池11の
出力電圧を一定に保つ運転モードである。設定された目
標電圧と燃料電池出力電圧VFCを比較し、この差分に
応じた量を制御回路12のCPUが演算する。その演算結
果はD/Aコンバーター23より電圧値に変換され、こ
の電圧がPWMモジュレータによりパルス幅に変換されてD
C−DCコンバーター15に入力される。DC−DCコンバー
ター15は、そのD/Aコンバーター23からのパルス
幅変調信号を受けて適切な出力値にするように制御を行
う。同様の制御は後段のDC−DCコンバーター17につい
ても行われる。
The fuel cell apparatus according to the present embodiment having the above-described circuit configuration operates as follows. First, during normal operation of the fuel cell device of the present embodiment, the output current and voltage are set so as to be selectable depending on the operation state. For example, operation in the maximum power follow-up mode, constant current mode or constant current mode is performed. Operation in voltage mode is selected. In the operation by the maximum power tracking method, the maximum power point is searched by the hill-climbing method, and the apparatus is operated so as to follow the searched point. The constant current mode is the operation mode to keep the current from the fuel cell constant, by comparing the target current and the fuel cell output current I FC that is set, CPU arithmetic operation of the amount of the control circuit 12 in accordance with the difference I do. The calculation result is converted into a voltage value by the D / A converter 23, and this voltage is converted into a pulse width by the PWM modulator and input to the DC-DC converter 15. The DC-DC converter 15 receives the pulse width modulation signal from the D / A converter 23 and performs control so as to obtain an appropriate output value. Similar control is performed by the DC-DC converter 17 in the subsequent stage.
Is also performed. The constant voltage mode is an operation mode in which the output voltage of the fuel cell 11 is kept constant. It compares the set target voltage and the fuel cell output voltage V FC, the amount of control circuit 12 CPU corresponding to the difference is computed. The operation result is converted to a voltage value by the D / A converter 23, and this voltage is converted to a pulse width by the PWM
Input to the C-DC converter 15. The DC-DC converter 15 receives the pulse width modulation signal from the D / A converter 23 and performs control so as to obtain an appropriate output value. Similar control is performed for the DC-DC converter 17 at the subsequent stage.

【0028】以上が通常の運転の例示であるが、通常の
運転を行っている期間においては定期的或いはランダム
に燃料電池装置は抵抗分の測定モードに入り、燃料電池
自体の抵抗測定を行う。そして、抵抗測定の結果、電解
質膜などが乾燥していると判断される場合では、加湿モ
ードに入る。抵抗測定の結果、電解質膜などが乾燥して
いないと判断される場合では、通常の運転に戻るように
制御される。
The above is an example of the normal operation. During the normal operation, the fuel cell device enters the resistance measuring mode periodically or randomly and measures the resistance of the fuel cell itself. When it is determined that the electrolyte membrane or the like is dry as a result of the resistance measurement, the humidification mode is entered. When it is determined that the electrolyte membrane or the like is not dry as a result of the resistance measurement, control is performed so as to return to normal operation.

【0029】この制御の流れを示した図が図3である。
運転を開始したところで、通常運転モードS11に入
り、例えば前述のような定電流モード或いは定電圧モー
ドなどでの運転が選択される。次に、測定のタイミング
か否かが判断され(S12)、測定のタイミングでない
場合(NO)には、発電のための運転終了か否かが手順
S16で判断される。手順S16で運転終了と判断され
る場合には終了に至り、運転継続と判断される場合では
再び通常運転モードS11に戻って以上の手順を繰り返
すことになる。なお、通常運転モードでは、例えば定期
的に抵抗分測定モードに入り、電解質膜の状態を把握し
必要であれば加湿モードに移行することになるが、同時
に制御回路12が現在の電流に対する電圧が標準的なI-
V特性と比較してどの程度の状況かを把握し、その程度
に応じた電流、電圧の調整も可能である。
FIG. 3 shows the flow of this control.
When the operation is started, the normal operation mode S11 is entered. For example, the operation in the constant current mode or the constant voltage mode as described above is selected. Next, it is determined whether or not it is the timing of measurement (S12). If it is not the timing of measurement (NO), it is determined in step S16 whether or not the operation for power generation has ended. If it is determined in step S16 that the operation is to be terminated, the process ends. If it is determined that the operation is to be continued, the process returns to the normal operation mode S11 and repeats the above procedure. In the normal operation mode, for example, the resistance component measurement mode is periodically entered, and the state of the electrolyte membrane is grasped, and if necessary, the mode shifts to the humidification mode. Standard I-
It is possible to grasp the degree of the situation compared to the V characteristic, and to adjust the current and voltage according to the degree.

【0030】手順S12で測定のタイミングであると判
断される場合(YES)では、抵抗測定モードS13に
入る。本実施形態では、電流遮断法によって燃料電池の
抵抗分の測定が行われることから、図1のブロック図に
おいて、先ず、制御回路12からのタイミングゲート信
号が低レベルから高レベルにシフトして、MOS−FE
T13が遮断状態となり、出力側の電流が流れなくなる
状態に遷移する。同時にサンプルホールド回路22もサ
ンプリング状態に転じ、燃料電池11の出力電流が停止
した状態での電位の上昇をサンプリングする。
If it is determined in step S12 that the timing of measurement has been reached (YES), the process enters the resistance measurement mode S13. In the present embodiment, since the resistance of the fuel cell is measured by the current interruption method, the timing gate signal from the control circuit 12 first shifts from a low level to a high level in the block diagram of FIG. MOS-FE
T13 enters the cutoff state, and transitions to a state in which the current on the output side stops flowing. At the same time, the sample-and-hold circuit 22 also shifts to the sampling state, and samples a rise in potential when the output current of the fuel cell 11 is stopped.

【0031】ここで燃料電池装置の抵抗分の測定モード
について、図4を参照しながら詳しく説明する。通常運
転モードにおける燃料電池11の出力端子の電圧がV
であり、今、タイミングtで制御回路12からのタイ
ミングゲート信号が低レベルから高レベルにシフトした
ものとする。その結果、MOS−FET13の遮断状態
への遷移によって、燃料電池11の出力端子の電位が上
昇し、開始のタイミングtから比較的短い時間後のサ
ンプリングのタイミングであるタイミングtでは一旦
急激に上昇した電圧が徐々に上がるような状態となる。
Here, the measurement mode of the resistance component of the fuel cell device will be described in detail with reference to FIG. When the voltage at the output terminal of the fuel cell 11 in the normal operation mode is V 0
, And the now timing gate signal from the control circuit 12 at timing t 1 is assumed to have shifted from the low level to the high level. As a result, the transition to the cutoff state of the MOS-FET 13, and increases the potential of the output terminal of the fuel cell 11, is the timing t 2 in once abruptly timing a relatively short time after the sampling from the timing t 1 of the start A state in which the increased voltage gradually increases.

【0032】これは一般的にはたとえば図5のような燃
料電池の内部インピーダンス等価回路が提唱されてお
り、電流遮断時には電解質膜の伝導度に依存する直流抵
抗分:Rsによる電圧降下分=( Rs x Is )が瞬時にゼロに
なり、t以降に電気二重層容量:Cdに充電された電荷
が電極反応過程に対応するファラデーインピーダンス:
( Rθ + Zw )により徐々に放電するような電圧変化モ
デルが考えられ実際に観測される。
In general, for example, an internal impedance equivalent circuit of a fuel cell as shown in FIG. 5 has been proposed. When a current is interrupted, a DC resistance dependent on the conductivity of the electrolyte membrane: a voltage drop due to Rs = ( rs x is) is zero instantaneously, t 2 after the electric double layer capacity: Faraday impedance electric charge charged in the Cd corresponds to the electrode reaction process:
A voltage change model that gradually discharges according to (Rθ + Zw) is considered and actually observed.

【0033】ここでタイミングtでサンプルホールド
回路22がサンプリングを行った場合には、燃料電池1
1の乾燥度によって、出力端子の電位の上昇度が異なる
ために、異なる電圧がサンプリングされる。図4におい
てタイミングtの時点で実線で示す電圧Vは燃料電
池11の乾燥度が低い、換言すれば燃料電池11が湿潤
状態にあって効率良く運転している状態を示しており、
タイミングtの時点でのサンプルホールド回路22が
サンプリングして電圧は低くなる。これに対して、燃料
電池11の乾燥度が高い場合では、電圧は短い期間で電
圧Vから図4においてタイミングtの時点で破線で
示す電圧Vまで大きく跳ね上がり、燃料電池11が乾
燥状態にあることがサンプルホールド回路22にサンプ
リングされる電圧値によって明確に区別される。
[0033] Here, if the sample-hold circuit 22 has performed the sampling at a timing t 2, the fuel cell 1
Since the degree of increase in the potential of the output terminal differs depending on the degree of drying of 1, different voltages are sampled. Voltage V W shown by the solid line at the point of time t 2 in FIG. 4 has a low dryness of the fuel cell 11 shows a state where the operation efficiently In the fuel cell 11 is wet in other words,
Voltage decreases sample-and-hold circuit 22 at the time of the timing t 2 is sampled. In contrast, in the case of a high dryness of the fuel cell 11, voltage jumps significantly from the voltage V 0 to the voltage V D shown by a broken line at the point of time t 2 in FIG. 4 in a short period, the fuel cell 11 on the dry Is clearly distinguished by the voltage value sampled by the sample and hold circuit 22.

【0034】サンプリング時に電圧が大きく跳ね上がる
ことが電解質膜の乾燥度が高いことを示すことについて
は、次のように導かれる。燃料電池においては、その直
流抵抗成分Rsは、Rs=(VD or V−V)/Isで
表され、ここで電圧VD又は電圧Vは、サンプリング
時の電圧であり、電流Isもサンプリング時の電流であ
る。また、電圧Vはサンプリング前の電圧である。こ
の式からサンプリング時の電流を測定しながら保持され
る電圧の差分を求めることで、燃料電池の直流抵抗成分
Rsが得られることになる。燃料電池は、その電解質膜が
乾燥している場合にプロトン伝導度が低くなり、抵抗値
が高くなる。従って、このような電流遮断法によって燃
料電池の抵抗分の測定を行うことで、電解質膜の乾燥度
を測定することが可能であり、サンプリング時に電圧が
大きく跳ね上がる場合には、加湿が必要と判断されて加
湿モードに入るように装置を制御する。
The fact that a large jump in voltage at the time of sampling indicates that the dryness of the electrolyte membrane is high is derived as follows. In the fuel cell, the DC resistance component Rs is represented by Rs = (V D or V W -V 0) / Is, where voltage V D or the voltage V W is the voltage at the sampling, the current Is Is the current at the time of sampling. The voltage V 0 is the sampling previous voltage. The DC resistance component of the fuel cell is obtained by calculating the difference between the held voltages while measuring the current at the time of sampling from this equation.
Rs will be obtained. In a fuel cell, when the electrolyte membrane is dry, the proton conductivity is low and the resistance value is high. Therefore, by measuring the resistance of the fuel cell by such a current interruption method, it is possible to measure the degree of dryness of the electrolyte membrane. If the voltage jumps greatly at the time of sampling, it is determined that humidification is necessary. Then, the apparatus is controlled to enter the humidification mode.

【0035】再び、図3のフローチャートに戻り、手順
S14では図4のサンプリング時であるタイミングt
の時の電圧は、電圧VD(乾燥時)側の電圧か電圧V
(湿潤時)側の電圧かが判断され、電圧VD(乾燥時)
側の電圧と判断される場合では、加湿モードに入るよう
に手順S15に進む。また、タイミングtの時の電圧
が電圧V(湿潤時)側の電圧と判断される場合では、
手順S11の通常運転モードに戻り、先の通常運転モー
ドの各手順を繰り返すことになる。
Returning again to the flowchart of FIG. 3, in step S14, the timing t 2 at the time of sampling in FIG.
Is the voltage on the voltage V D (during drying) side or the voltage V W
It is determined whether the voltage is on the (wet) side and the voltage V D (dry)
If it is determined that the voltage is on the side, the process proceeds to step S15 to enter the humidification mode. Further, in the case where voltage when the timing t 2 is determined as the voltage of the voltage V W (wet) side,
The procedure returns to the normal operation mode in step S11, and each procedure in the previous normal operation mode is repeated.

【0036】ここで加湿モードについて説明すると、一
般に燃料電池においては、ある程度大きな電流を一定期
間、燃料電池から取り出すことで電解質膜の加湿量を制
御できる。すなわち、電流を流すことで活性物質の反応
が促進され、その反応によって生成される水も該反応に
応じて増加することになる。カソード側反応界面で生成
した水によって濃度勾配が生じアノード側に向かって水
の逆拡散が起こるので速やかで確実な電解質膜の加湿が
行われる。ただし短絡電流に近い電流を流すと触媒の担
持カーボンなどに悪影響があるため電流制限をかける必
要があるが、流せる最大電流はそのときの燃料電池セル
の状態によるため一概に決められない。そこで前述の定
電圧モードで、ある一定の設定電圧になるように制御す
ることでそのときの燃料電池の状態に見合った電流を流
すことが可能となる。また、燃料電池が過熱によって乾
燥した場合は、温度センサーによって検知された温度を
判断し、温度が高い場合には加湿を効果的に行うために
燃料電池を冷却ファンで冷却し、水蒸気を飽和させ易く
する。
Here, the humidification mode will be described. Generally, in a fuel cell, the humidification amount of the electrolyte membrane can be controlled by extracting a relatively large current from the fuel cell for a certain period. That is, the flow of an electric current promotes the reaction of the active substance, and the amount of water generated by the reaction increases in accordance with the reaction. Water generated at the reaction interface on the cathode side causes a concentration gradient and reverse diffusion of water toward the anode side, so that the electrolyte membrane is quickly and reliably humidified. However, if a current close to the short-circuit current is passed, it has an adverse effect on the carbon carried by the catalyst and the like, and it is necessary to limit the current. Therefore, in the above-described constant voltage mode, by controlling the voltage to be a certain set voltage, it is possible to flow a current corresponding to the state of the fuel cell at that time. If the fuel cell dries due to overheating, the temperature detected by the temperature sensor is determined.If the temperature is high, the fuel cell is cooled with a cooling fan to effectively humidify and the steam is saturated. Make it easier.

【0037】以上にように、本実施形態の燃料電池装置
では、通常運転モードの期間で、所定の燃料電池自体の
抵抗測定が行われる。この測定結果として、電解質膜が
乾燥していると判断される場合では、加湿モードに移行
し、流せる最大電流を選びつつ電解質膜の無理のない湿
潤化が実現される。このような加湿処理を行った後で
は、再び通常運転モードに戻り、発電を継続することが
可能である。
As described above, in the fuel cell device of this embodiment, the resistance of the fuel cell itself is measured during the normal operation mode. As a result of this measurement, when it is determined that the electrolyte membrane is dry, the mode shifts to the humidification mode, and the electrolyte membrane is reasonably wetted while selecting the maximum current that can be passed. After performing such humidification processing, it is possible to return to the normal operation mode again and continue power generation.

【0038】[第2の実施形態]本発明の燃料電池装置の
第2の実施形態について図6を参照しながら説明する。
図6は第2の実施形態の燃料電池装置のブロック図であ
る。本実施形態の燃料電池装置は、水素やメタノールな
どの燃料の供給に基づき所要の発電を行う燃料電池51
と、該燃料電池51の抵抗分を測定することによって燃
料電池51の発電出力を監視するための出力監視部を構
成するサンプルホールド回路62と、該サンプルホール
ド回路62からの信号に応じて燃料電池51からの発電
出力を制御するための所要のマイクロコンピュータから
なる制御回路52と、燃料電池51と負荷58との間に
配置され制御回路からの制御信号に応じて該負荷には前
記燃料電池部からの発電出力を変換可能に制御する出力
変換部であるDC−DCコンバーター55、57、60
とを主な構成要素としている。
Second Embodiment A second embodiment of the fuel cell device according to the present invention will be described with reference to FIG.
FIG. 6 is a block diagram of the fuel cell device according to the second embodiment. The fuel cell device according to the present embodiment includes a fuel cell 51 that performs required power generation based on the supply of fuel such as hydrogen or methanol.
A sample and hold circuit 62 that constitutes an output monitoring unit for monitoring the power generation output of the fuel cell 51 by measuring the resistance of the fuel cell 51; and a fuel cell in accordance with a signal from the sample and hold circuit 62. A control circuit 52 comprising a required microcomputer for controlling the power generation output from the fuel cell 51, and the fuel cell unit disposed between the fuel cell 51 and the load 58 in accordance with a control signal from the control circuit. -DC converters 55, 57, and 60, which are output conversion units that control the power generation output from
Are the main components.

【0039】燃料電池51は、図2にその一例を示して
説明した燃料電池11と同様であり、ここでは簡単のた
め重複した説明を省略する。一般に燃料電池11の出力
は温度の影響を受けるようになっており、例えば、高温
のために燃料電池11の乾燥度が高くなった場合では、
加湿を促すように例えばある程度大きな電流を一定時間
流すような制御が行われ、活性物質の反応の活発化によ
って水の生成を促進させる。水の生成量が大きくなれ
ば、燃料電池51の乾燥度を下げることができる。
The fuel cell 51 is the same as the fuel cell 11 whose one example is shown in FIG. 2, and the duplicate description is omitted here for simplicity. Generally, the output of the fuel cell 11 is affected by the temperature. For example, when the drying degree of the fuel cell 11 is increased due to the high temperature,
For example, control is performed such that a relatively large current is applied for a certain period of time to promote humidification, and the reaction of the active substance is activated to promote the generation of water. If the amount of generated water increases, the degree of dryness of the fuel cell 51 can be reduced.

【0040】燃料電池51の出力側には、サンプルホー
ルド回路62が接続される。サンプルホールド回路62
は、電流遮断(カレントインターラプト)法によって該
燃料電池51の抵抗分を測定することによって燃料電池
51の発電出力を監視するための出力監視部を構成する
回路であり、制御回路52からのタイミングゲート信号
が高レベルの時にサンプリングを行うように制御され
る。このタイミングゲート信号は同時に燃料電池51の
出力段に配されたMOS−FET53のゲートにも供給
される。制御回路52からのタイミングゲート信号によ
って、このMOS−FET53は遮断状態となり、サン
プルホールド回路62でのサンプリングによって燃料電
池51の抵抗分が詳細に測定されることになる。
The output side of the fuel cell 51 is connected to a sample and hold circuit 62. Sample hold circuit 62
Is a circuit constituting an output monitoring unit for monitoring the power generation output of the fuel cell 51 by measuring the resistance component of the fuel cell 51 by a current interrupt (current interrupt) method. It is controlled to perform sampling when the gate signal is at a high level. This timing gate signal is also supplied to the gate of the MOS-FET 53 arranged at the output stage of the fuel cell 51 at the same time. The MOS-FET 53 is turned off by the timing gate signal from the control circuit 52, and the resistance of the fuel cell 51 is measured in detail by sampling in the sample and hold circuit 62.

【0041】一例を挙げれば、制御回路52からのタイ
ミングゲート信号は、ソース・ドレインの一方が燃料電
池51の出力端子に接続され且つソース・ドレインの他
方が容量に接続されるサンプリング用MOS−FET
(図示せず。)のゲートに供給され、制御回路52から
のタイミングゲート信号が高レベルの時にサンプリング
用MOS−FETがオン状態になり、容量が燃料電池5
1の出力端子の電圧で充電される。この容量に充電され
た電圧値がサンプリングされた電圧であり、その電圧が
制御回路52にA/Dコンバーター72を介して出力さ
れる。
For example, the timing gate signal from the control circuit 52 is a sampling MOS-FET in which one of the source and drain is connected to the output terminal of the fuel cell 51 and the other of the source and drain is connected to the capacitor.
(Not shown), the sampling MOS-FET is turned on when the timing gate signal from the control circuit 52 is at a high level, and the capacity of the fuel cell 5 is reduced.
1 is charged by the voltage of the output terminal. The voltage value charged to the capacitor is a sampled voltage, and the voltage is output to the control circuit 52 via the A / D converter 72.

【0042】燃料電池51の出力側には、サンプルホー
ルド回路62の他に燃料電池出力電流IFCと燃料電池
出力電圧VFCがモニターされるように構成されてい
る。制御回路52は、燃料電池出力電流IFCをA/D
コンバーター73を介してモニターし、燃料電池出力電
圧VFCをA/Dコンバーター74を介してモニターす
る。制御回路52は、サンプルホールド回路62によっ
て抵抗分測定が可能であるが、運転状態においても燃料
電池出力電流IFCと燃料電池出力電圧VFCがモニタ
ーされ、例えば最大電力追従方式による運転を行う場合
では、山登り法により最大電力ポイントをサーチし、そ
の最大電力ポイントに追従させるように制御を行うこと
が可能である。また、目標電流が設定される定電流モー
ドの運転時では、その電流値を実現するように燃料電池
出力電流IFCと目標電流の差分が制御回路52で計算
される。更に、目標電圧が設定される定電圧モードの運
転時では、その電流値を実現するように燃料電池出力電
圧VFCと目標電圧の差分が制御回路52で計算され
る。
The output side of the fuel cell 51, in addition to the fuel cell output current I FC and the fuel cell output voltage V FC of the sample-and-hold circuit 62 is configured to be monitored. The control circuit 52, the fuel cell output current I FC A / D
Was monitored via the converter 73, the fuel cell output voltage V FC monitored via the A / D converter 74. The control circuit 52 is the sample-and-hold circuit 62 are possible resistance component measurement, the fuel cell output current I FC and the fuel cell output voltage V FC is monitored even in operating conditions, for example when performing the operation based on the maximum power follow-up scheme In, it is possible to search for the maximum power point by the hill-climbing method and perform control so as to follow the maximum power point. Further, in a time of constant current mode in which the target current is set operation, the difference between the fuel cell output current I FC and the target current is calculated in the control circuit 52 so as to realize the current value. Further, in a time of constant voltage mode in which the target voltage is set operation, the difference between the fuel cell output voltage V FC and the target voltage so as to realize the current value is calculated by the control circuit 52.

【0043】燃料電池51の出力側には、負荷58との
間に燃料電池51からの発電出力を変換可能に制御する
出力変換部である2段のDC−DCコンバーター55、
57が接続される。また、2段のDC−DCコンバータ
ー55、57の間には、出力を安定させるための電気二
重層コンデンサ56が設けらており、さらにDC−DC
コンバーター57の出力部には鉛蓄電池59が配設され
る。図5において、DC−DCコンバーター55が第1
のDC−DCコンバーター(No.1)であり、DC−D
Cコンバーター57が第2のDC−DCコンバーター
(No.2)である。このような2段のDC−DCコンバ
ーター55、57に加えて、本実施形態の燃料電池装置
では、通常の運転時に使用されるDC−DCコンバータ
ー60が配設される。すなわち、2段のDC−DCコン
バーター55、57が抵抗測定時に使用され、1段のD
C−DCコンバーター60が通常の運転時に使用され
る。2段のDC−DCコンバーター55、57と1段のD
C−DCコンバーター60は負荷58と燃料電池51の
間で並列接続された関係となり、コンバーターの切替は
制御回路52からの信号によって行われる。
On the output side of the fuel cell 51, a two-stage DC-DC converter 55, which is an output converter for controlling the power output from the fuel cell 51 to be convertible between the load 58 and the load 58,
57 are connected. An electric double layer capacitor 56 for stabilizing the output is provided between the two-stage DC-DC converters 55 and 57.
A lead storage battery 59 is provided at the output of the converter 57. In FIG. 5, the DC-DC converter 55 is the first
DC-DC converter (No. 1)
The C converter 57 is a second DC-DC converter (No. 2). In addition to the two-stage DC-DC converters 55 and 57, the fuel cell device of the present embodiment includes a DC-DC converter 60 used during normal operation. That is, two-stage DC-DC converters 55 and 57 are used at the time of resistance measurement, and one-stage D-DC converters 55 and 57 are used.
The C-DC converter 60 is used during normal operation. Two-stage DC-DC converters 55 and 57 and one-stage D
The C-DC converter 60 is connected in parallel between the load 58 and the fuel cell 51, and the converter is switched by a signal from the control circuit 52.

【0044】DC−DCコンバーター55、57は、燃
料電池51側からの電圧の変動を調整して一定の出力を
得るための回路であり、特に本実施形態では、燃料電池
51の抵抗測定時に使用される。DC−DCコンバータ
ー55には、制御回路52からの制御信号がデジタル信
号をアナログ信号に変換するD/Aコンバーター63を
用いて供給され、このD/Aコンバーター63では更に
パルス幅変調モジュールによって制御信号が所要のパル
ス幅を有する信号に変換される。同様に、DC−DCコ
ンバーター57には、制御回路52からの制御信号がデ
ジタル信号をアナログ信号に変換するD/Aコンバータ
ー64を用いて供給され、このD/Aコンバーター64
では更にパルス幅変調モジュールによって制御信号が所
要のパルス幅を有する信号に変換される。例えば、DC
−DCコンバーター55の出力を増加させたい場合で
は、制御回路52はデジタル信号を演算結果として出力
し、その制御信号がパルス幅の大きなパルス信号に変換
されてDC−DCコンバーター55に供給され、該DC
−DCコンバーター55の出力を増加させるように制御
することができる。なお、この制御信号の方式としてパ
ルス幅変調方式は一例に過ぎず、パルス符号変調やパル
ス数変調、パルス位相変調などの各種変調方式を利用し
ても良い。このような制御回路52にからの制御によっ
て、後述する定電圧モードや定電流モードのように安定
した発電出力が可能となる。
The DC-DC converters 55 and 57 are circuits for adjusting the fluctuation of the voltage from the fuel cell 51 to obtain a constant output. In the present embodiment, the DC-DC converters 55 and 57 are used when the resistance of the fuel cell 51 is measured. Is done. A control signal from the control circuit 52 is supplied to the DC-DC converter 55 by using a D / A converter 63 for converting a digital signal into an analog signal. In the D / A converter 63, a control signal is further supplied by a pulse width modulation module. Is converted into a signal having a required pulse width. Similarly, a control signal from the control circuit 52 is supplied to the DC-DC converter 57 by using a D / A converter 64 that converts a digital signal into an analog signal, and the D / A converter 64
Then, the control signal is converted into a signal having a required pulse width by the pulse width modulation module. For example, DC
When it is desired to increase the output of the DC converter 55, the control circuit 52 outputs a digital signal as a calculation result, and the control signal is converted into a pulse signal having a large pulse width and supplied to the DC-DC converter 55. DC
-It can be controlled to increase the output of the DC converter 55. Note that the pulse width modulation method is merely an example as a method of the control signal, and various modulation methods such as pulse code modulation, pulse number modulation, and pulse phase modulation may be used. By such control from the control circuit 52, a stable power generation output is possible as in a constant voltage mode or a constant current mode described later.

【0045】DC−DCコンバーター55、57の間に
は、放電により負荷電圧を所定の値に維持するための容
量が配設され、特に本実施形態においては容量として電
気二重層コンデンサ(EDLC)56が配設される。電気二
重層コンデンサ56は、例えば活性炭と電解液の界面に
発生する電気二重層を動作原理とするコンデンサであ
り、小型で大きな静電容量が得られると共に過充電や過
放電に強く、環境性に優れており、低電圧で優れた充放
電特性を示す。DC−DCコンバーター55、57の間
に電気二重層コンデンサ56を配することで、この電気
二重層コンデンサ56は、燃料電池51の状態に応じて
運転されるDC−DCコンバーター55によって生じた
電流と電圧の変動を吸収するためのバッファーとして機
能する。すなわち燃料電池51から電流を意図的に取り
出したい場合、DC−DCコンバーター55は電気二重
層コンデンサ56に電荷を充電し、逆に出力低下などに
より電流を取り出したくない場合、DC−DCコンバー
ター55は電気二重層コンデンサ56に対して充電を停
止する。DC−DCコンバーター57は電気二重層コン
デンサ56に既に充電された電荷を放電し、負荷電圧を
一定に維持するようにフィードバックをさせる。また、
電気二重層コンデンサ56は、後述するように抵抗測定
動作における電流遮断動作の影響が負荷側に及ぶのを防
止するバッファーの役割も担っている。このように燃料
電池51側と負荷58側がある程度独立した動作が可能
になる。
A capacitor for maintaining the load voltage at a predetermined value by discharging is provided between the DC-DC converters 55 and 57. In this embodiment, an electric double layer capacitor (EDLC) 56 is used as the capacitor. Is arranged. The electric double layer capacitor 56 is a capacitor whose operation principle is, for example, an electric double layer generated at an interface between activated carbon and an electrolytic solution. The electric double layer capacitor 56 is small, has a large capacitance, is resistant to overcharging and overdischarging, and is environmentally friendly. It is excellent and shows excellent charge / discharge characteristics at low voltage. By arranging the electric double-layer capacitor 56 between the DC-DC converters 55 and 57, the electric double-layer capacitor 56 is connected to the current generated by the DC-DC converter 55 operated according to the state of the fuel cell 51. Functions as a buffer for absorbing voltage fluctuations. That is, when it is desired to intentionally take out the current from the fuel cell 51, the DC-DC converter 55 charges the electric double layer capacitor 56 with electric charge, and when it is not desired to take out the current due to a decrease in output, the DC-DC converter 55 The charging of the electric double layer capacitor 56 is stopped. The DC-DC converter 57 discharges the electric charge already charged in the electric double layer capacitor 56, and performs feedback so as to keep the load voltage constant. Also,
The electric double layer capacitor 56 also serves as a buffer for preventing the influence of the current interruption operation in the resistance measurement operation from affecting the load side, as described later. In this manner, the fuel cell 51 and the load 58 can operate independently to some extent.

【0046】DC−DCコンバーター60は、燃料電池
51側からの電圧の変動を調整して一定の出力を得るた
めの回路であり、特に本実施形態では、燃料電池51の
通常運転時に使用される。DC−DCコンバーター60
には、制御回路52からの制御信号がデジタル信号をア
ナログ信号に変換するD/Aコンバーター65を用いて
供給され、このD/Aコンバーター65では更にパルス
幅変調モジュールによって制御信号が所要のパルス幅を
有する信号に変換される。このDC−DCコンバーター
60は、例えば加湿動作が終わり、通常運転モードに移
行したときに、電力の供給パスとして用いられる電圧変
換部であり、このようにDC−DCコンバーター60が
電力の供給パスとして用いられている場合には、他の電
力供給パスであるDC−DCコンバーター55、57は
遮断状態とされる。DC−DCコンバーター60は2段
のDC−DCコンバーター55、57に比べて段数が少
なくて済み、DC−DCコンバーターの1つ分の効率を
単独のDC−DCコンバーター60を使用することで改
善させることができる。
The DC-DC converter 60 is a circuit for adjusting the fluctuation of the voltage from the fuel cell 51 to obtain a constant output. In the present embodiment, the DC-DC converter 60 is used during normal operation of the fuel cell 51. . DC-DC converter 60
, A control signal from the control circuit 52 is supplied using a D / A converter 65 that converts a digital signal into an analog signal. In the D / A converter 65, the control signal is further converted to a required pulse width by a pulse width modulation module. Is converted to a signal having The DC-DC converter 60 is, for example, a voltage conversion unit used as a power supply path when the humidification operation is completed and the operation mode is shifted to the normal operation mode. Thus, the DC-DC converter 60 is used as a power supply path. When used, the DC-DC converters 55 and 57, which are other power supply paths, are turned off. The DC-DC converter 60 requires fewer stages than the two-stage DC-DC converters 55 and 57, and the efficiency of one DC-DC converter is improved by using the single DC-DC converter 60. be able to.

【0047】DC−DCコンバーター55の出力は、上
述のように制御回路52によって制御されるが、電気二
重層コンデンサ56の周囲の電流と電圧は、燃料電池5
1の出力部と同様にそれぞれモニターされる。具体的に
は、制御回路52によって電気二重層コンデンサ電流I
と電気二重層コンデンサ電圧Vがモニターされる。
制御回路52は、電気二重層コンデンサ電流IをA/
Dコンバーター75を介してモニターし、電気二重層コ
ンデンサ電圧VをA/Dコンバーター76を介してモ
ニターする。この電気二重層コンデンサ56の周囲の電
流と電圧は、DC−DCコンバーター55の出力の電流
と電圧でもあり、DC−DCコンバーター57の出力の
電流と電圧でもある。これらをモニターすることで精度
の高い燃料電池の運転が実現される。
Although the output of the DC-DC converter 55 is controlled by the control circuit 52 as described above, the current and voltage around the electric double layer capacitor 56 are
1 is monitored in the same manner as the output unit. Specifically, the control circuit 52 controls the electric double layer capacitor current I
C and an electric double layer capacitor voltage V C is monitored.
The control circuit 52, an electric double layer capacitor current I C to A /
It was monitored via a D converter 75, an electric double layer capacitor voltage V C is monitored via the A / D converter 76. The current and the voltage around the electric double layer capacitor 56 are the current and the voltage of the output of the DC-DC converter 55 and the current and the voltage of the output of the DC-DC converter 57. By monitoring these, highly accurate fuel cell operation is realized.

【0048】DC−DCコンバーター57にもDC−D
Cコンバーター55と同様に制御回路52からの制御信
号がデジタル信号をアナログ信号に変換するD/Aコン
バーター64を用いて供給され、このD/Aコンバータ
ー64では更にパルス幅変調モジュールによって制御信
号が所要のパルス幅を有する信号に変換され、そのパル
ス幅に応じて当該DC−DCコンバーター57の出力電
圧が制御される。このDC−DCコンバーター57の出
力側には、負荷58との間に鉛蓄電池59が配設され
る。この鉛蓄電池59は、負荷58の前段に配設される
2次電池であり、本実施形態ではフローティング接続を
行っている。負荷58の条件に応じて鉛蓄電池59を設
けない構成とすることも可能である。鉛蓄電池59の周
囲の電流と電圧は、電気二重層コンデンサの出力部と同
様にそれぞれモニターされる。具体的には、制御回路5
2によって鉛蓄電池電流Iと鉛蓄電池電圧Vがモニ
ターされる。制御回路52は、鉛蓄電池電流IをA/
Dコンバーター77を介してモニターし、鉛蓄電池電圧
をA/Dコンバーター78を介してモニターする。
また、負荷電流Iも制御回路52にA/Dコンバータ
ー79を介してモニターされる。
The DC-DC converter 57 also has a DC-D
Similarly to the C converter 55, a control signal from the control circuit 52 is supplied by using a D / A converter 64 for converting a digital signal into an analog signal. In the D / A converter 64, a control signal is further required by a pulse width modulation module. , And the output voltage of the DC-DC converter 57 is controlled according to the pulse width. On the output side of the DC-DC converter 57, a lead storage battery 59 is arranged between the DC-DC converter 57 and a load 58. The lead storage battery 59 is a secondary battery disposed before the load 58, and has a floating connection in the present embodiment. It is also possible to adopt a configuration in which the lead storage battery 59 is not provided according to the condition of the load 58. The current and the voltage around the lead storage battery 59 are respectively monitored similarly to the output part of the electric double layer capacitor. Specifically, the control circuit 5
Lead-acid battery current I C and the lead-acid battery voltage V C is monitored by two. The control circuit 52, a lead-acid battery current I B A /
The lead-acid battery voltage VL is monitored via an A / D converter 78 by monitoring via a D-converter 77.
The load current IL is also monitored by the control circuit 52 via the A / D converter 79.

【0049】DC−DCコンバーター60にもDC−D
Cコンバーター55と同様に制御回路52からの制御信
号がデジタル信号をアナログ信号に変換するD/Aコン
バーター65を用いて供給され、このD/Aコンバータ
ー65では更にパルス幅変調モジュールによって制御信
号が所要のパルス幅を有する信号に変換され、そのパル
ス幅に応じて当該DC−DCコンバーター60の出力電
圧が制御される。前述のように、本実施形態では、DC
−DCコンバーター60の経路が通常運転時に使用さ
れ、2段のDC−DCコンバーター55、57の経路が
電流遮断法による抵抗測定時に使用される。DC−DC
コンバーター60は2段のDC−DCコンバーター5
5、57に比べて段数が少なくて済み、DC−DCコン
バーターの1つ分の効率を単独のDC−DCコンバータ
ー60を使用することで改善させることができる。
The DC-DC converter 60 also has a DC-D
Similarly to the C converter 55, a control signal from the control circuit 52 is supplied by using a D / A converter 65 for converting a digital signal into an analog signal. In the D / A converter 65, the control signal is further required by a pulse width modulation module. , And the output voltage of the DC-DC converter 60 is controlled according to the pulse width. As described above, in the present embodiment, DC
The path of the DC converter 60 is used during normal operation, and the paths of the two-stage DC-DC converters 55 and 57 are used during resistance measurement by the current interruption method. DC-DC
The converter 60 is a two-stage DC-DC converter 5
The number of stages is smaller than in the case of 5, 57, and the efficiency of one DC-DC converter can be improved by using the single DC-DC converter 60.

【0050】なお、本実施形態の燃料電池装置において
も、第1の実施形態の燃料電池装置と同様に、通常運転
モードの期間で、所定の燃料電池自体の抵抗測定が行わ
れる。この測定結果として、電解質膜が乾燥していると
判断される場合では、加湿モードに移行し、流せる最大
電流を選びつつ電解質膜の無理のない湿潤化が実現され
る。このような加湿処理を行った後では、再び通常運転
モードに戻り、発電を継続することが可能である。ま
た、通常運転モード時には、DC−DCコンバーター5
5、57に比べて段数が少ない単独のDC−DCコンバ
ーター60が切り替えて使用され、効率の大幅な改善が
行われることになる。
In the fuel cell device of the present embodiment, similarly to the fuel cell device of the first embodiment, a predetermined resistance measurement of the fuel cell itself is performed during the normal operation mode. As a result of this measurement, when it is determined that the electrolyte membrane is dry, the mode shifts to the humidification mode, and the electrolyte membrane is reasonably wetted while selecting the maximum current that can be passed. After performing such humidification processing, it is possible to return to the normal operation mode again and continue power generation. In the normal operation mode, the DC-DC converter 5
A single DC-DC converter 60 having a smaller number of stages than that of the converters 5 and 57 is used by switching, so that the efficiency is greatly improved.

【0051】なお、本発明においては、燃料電池装置を
搭載する機器としては、如何なるものでも可能であり、
パーソナルコンピュータ、携帯電話機やPDA(Persona
l Digital Assistant)などの電子機器の他、本発明は、
プリンターやファクシミリ、パソコン用周辺機器、電話
機、テレビジョン受像機、画像表示装置、通信機器、カ
メラ、オーディオビデオ機器、扇風機、冷蔵庫、ヘアド
ライヤー、アイロン、ポット、掃除機、炊飯器、電磁調
理器、照明器具、ゲーム機やラジコンカーなどの玩具、
電動工具、医療機器、測定機器、車両搭載用機器、事務
機器、健康美容器具、電子制御型ロボット、衣類型電子
機器、各種電動機器、車両、船舶、航空機などの輸送用
機械、家庭用若しくは事業用発電装置、その他の用途に
使用できるものである。
In the present invention, any equipment on which the fuel cell device is mounted can be used.
Personal computers, mobile phones and PDAs (Persona
l Digital Assistant) and other electronic devices, the present invention
Printers and fax machines, PC peripherals, telephones, television receivers, image display devices, communication devices, cameras, audio / video devices, electric fans, refrigerators, hair dryers, irons, pots, vacuum cleaners, rice cookers, electromagnetic cookers, Lighting equipment, toys such as game consoles and radio control cars,
Power tools, medical equipment, measuring equipment, on-vehicle equipment, office equipment, health and beauty equipment, electronically controlled robots, clothing-type electronic equipment, various electric equipment, vehicles for transportation such as vehicles, ships, aircraft, home use or business It can be used for power generators and other applications.

【0052】また、本発明では、燃料として主に水素ガ
スを使用する例について説明したが、いわゆるダイレク
トメタノール方式に対応してメタノール(液体)等のア
ルコールを燃料とする構成としても良い。
In the present invention, an example in which hydrogen gas is mainly used as a fuel has been described. However, an alcohol such as methanol (liquid) may be used as a fuel in accordance with a so-called direct methanol method.

【0053】[0053]

【発明の効果】本発明の燃料電池装置によれば、通常運
転モードの期間で、所定の燃料電池自体の抵抗測定が行
われる。この測定結果として電解質膜が乾燥していると
判断される場合では、加湿モードに移行し、例えば流せ
る最大電流を選びつつ電解質膜に対して無理のない湿潤
化が実現される。このため発電出力の低下を招くことな
く、安定した出力が行われることになる。また、本発明
の燃料電池装置によれば、抵抗測定時と通常運転時で異
なる電圧変換部を用いるようにすることができ、特に通
常運転用に段数の少ない電圧変換部を使用することで総
合効率を高めることができる。
According to the fuel cell device of the present invention, the resistance of the fuel cell itself is measured during the normal operation mode. When it is determined that the electrolyte membrane is dry as a result of the measurement, the mode shifts to the humidification mode, and the electrolyte membrane is reasonably wetted while, for example, selecting the maximum current that can be passed. For this reason, a stable output is performed without causing a decrease in the power generation output. Further, according to the fuel cell device of the present invention, it is possible to use different voltage converters at the time of resistance measurement and at the time of normal operation, and in particular, by using a voltage converter having a small number of stages for normal operation. Efficiency can be increased.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明の第1の実施形態の燃料電池装置の回路
構成を示すブロック図である。
FIG. 1 is a block diagram illustrating a circuit configuration of a fuel cell device according to a first embodiment of the present invention.

【図2】本発明の第1の実施形態の燃料電池装置の燃料
電池部分の模式的な部分斜視図である。
FIG. 2 is a schematic partial perspective view of a fuel cell portion of the fuel cell device according to the first embodiment of the present invention.

【図3】本発明の第1の実施形態の燃料電池装置の発電
運転の手順を示すフローチャートである。
FIG. 3 is a flowchart illustrating a procedure of a power generation operation of the fuel cell device according to the first embodiment of the present invention.

【図4】本発明の第1の実施形態の燃料電池装置におけ
る電流遮断法による抵抗測定を説明するためのタイムチ
ャートである。
FIG. 4 is a time chart for explaining resistance measurement by a current interruption method in the fuel cell device according to the first embodiment of the present invention.

【図5】本発明の第1の実施形態の燃料電池装置におけ
る燃料電池の内部インピーダンス等価回路図である。
FIG. 5 is an internal impedance equivalent circuit diagram of the fuel cell in the fuel cell device according to the first embodiment of the present invention.

【図6】本発明の第2の実施形態の燃料電池装置の回路
構成を示すブロック図である。
FIG. 6 is a block diagram illustrating a circuit configuration of a fuel cell device according to a second embodiment of the present invention.

【図7】従来の太陽電池装置の回路構成を示すブロック
図である。
FIG. 7 is a block diagram illustrating a circuit configuration of a conventional solar cell device.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

11 燃料電池 12 制御回路 13 サンプリング 15 DC−DCコンバーター 16 電気二重層コンデンサ 17 DC−DCコンバーター 18 負荷 19 鉛蓄電池 21 温度センスアンプ 22 サンプルホールド回路 23、24 D/Aコンバーター 31〜39 A/Dコンバーター 41 電解質膜 42 空気側ガス拡散層 43 燃料側ガス拡散層 44 燃料極側集電板 45 案内溝 46 空気極側集電板 47 空気孔 48、49 触媒層 51 燃料電池 52 制御回路 53 MOS−FET 55 DC−DCコンバーター 56 電気二重層コンデンサ 57 DC−DCコンバーター 58 負荷 59 鉛蓄電池 60 DC−DCコンバーター 72 サンプルホールド回路 63〜65 D/Aコンバーター 72〜79 A/Dコンバーター 11 Fuel cell 12 Control circuit 13 Sampling 15 DC-DC converter 16 Electric double layer capacitors 17 DC-DC converter 18 Load 19 Lead storage battery 21 Temperature sense amplifier 22 Sample hold circuit 23, 24 D / A converter 31-39 A / D converter 41 electrolyte membrane 42 Air-side gas diffusion layer 43 Fuel side gas diffusion layer 44 Fuel electrode side current collector 45 Guide groove 46 Air electrode side current collector 47 air hole 48, 49 catalyst layer 51 Fuel cell 52 control circuit 53 MOS-FET 55 DC-DC converter 56 Electric Double Layer Capacitor 57 DC-DC converter 58 load 59 Lead storage battery 60 DC-DC converter 72 Sample hold circuit 63-65 D / A converter 72-79 A / D converter

Claims (19)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 燃料の供給に基づき所要の発電を行う燃
料電池部と、 前記燃料電池部の抵抗分を測定することによって前記燃
料電池部の発電出力を監視する出力監視部と、 前記出力監視部からの信号に応じて前記燃料電池部から
の発電出力を制御するための制御信号を発生させる制御
部と、 前記燃料電池部と負荷との間に配置され前記制御部から
の前記制御信号に応じて該負荷には前記燃料電池部から
の発電出力を変換可能に制御する出力変換部とを有する
ことを特徴とする燃料電池装置。
1. A fuel cell unit for performing required power generation based on supply of fuel, an output monitoring unit for monitoring a power generation output of the fuel cell unit by measuring a resistance component of the fuel cell unit, and the output monitoring. A control unit for generating a control signal for controlling a power generation output from the fuel cell unit in response to a signal from the unit, and a control signal from the control unit disposed between the fuel cell unit and a load. The fuel cell device according to claim 1, further comprising an output conversion unit that controls the load so that the power generation output from the fuel cell unit can be converted.
【請求項2】 前記燃料電池部は電解質膜を燃料側電極
と空気側電極で挟持した構造を有することを特徴とする
請求項1記載の燃料電池装置。
2. The fuel cell device according to claim 1, wherein the fuel cell unit has a structure in which an electrolyte membrane is sandwiched between a fuel electrode and an air electrode.
【請求項3】 前記燃料電池部の前記空気側電極は大気
開放されてなることを特徴とする請求項2記載の燃料電
池装置。
3. The fuel cell device according to claim 2, wherein the air-side electrode of the fuel cell unit is open to the atmosphere.
【請求項4】 前記出力監視部は負荷側に供給される電
流を遮断しながら前記燃料電池部の抵抗分を測定するこ
とを特徴とする請求項1記載の燃料電池装置。
4. The fuel cell device according to claim 1, wherein the output monitoring unit measures the resistance of the fuel cell unit while interrupting a current supplied to a load.
【請求項5】 前記電流の遮断は前記燃料電池部と前記
出力変換部の間に配設された半導体能動素子をオンオフ
制御することで行われることを特徴とする請求項4記載
の燃料電池装置。
5. The fuel cell device according to claim 4, wherein the interruption of the current is performed by controlling on / off of a semiconductor active element disposed between the fuel cell unit and the output conversion unit. .
【請求項6】 前記燃料電池部の抵抗分の測定は前記燃
料電池部に所定の電流を流した際の電圧変化によって測
定されることを特徴とする請求項1記載の燃料電池装
置。
6. The fuel cell device according to claim 1, wherein the resistance of the fuel cell unit is measured by a voltage change when a predetermined current flows through the fuel cell unit.
【請求項7】 前記出力変換部は一対の電圧変換部を前
記燃料電池部と前記負荷との間に直列接続した構成を有
し、放電により負荷電圧を所定の値に維持するための容
量が前記一対の電圧変換部の間に配置されることを特徴
とする請求項1記載の燃料電池装置。
7. The output converter has a configuration in which a pair of voltage converters are connected in series between the fuel cell unit and the load, and has a capacity for maintaining a load voltage at a predetermined value by discharging. The fuel cell device according to claim 1, wherein the fuel cell device is disposed between the pair of voltage conversion units.
【請求項8】 前記容量は電気二重層コンデンサからな
ることを特徴とする請求項1記載の燃料電池装置。
8. The fuel cell device according to claim 1, wherein the capacitance is formed of an electric double layer capacitor.
【請求項9】 前記燃料電池部は、乾燥時に加湿される
ように制御されることを特徴とする請求項1記載の燃料
電池装置。
9. The fuel cell device according to claim 1, wherein the fuel cell unit is controlled so as to be humidified during drying.
【請求項10】 燃料の供給に基づき所要の発電を行う
燃料電池部と、 前記燃料電池部の抵抗分を測定することによって前記燃
料電池部の発電出力を監視する出力監視部と、 前記出力監視部からの信号に応じて前記燃料電池部から
の発電出力を制御するための制御信号を発生させる制御
部と、 前記燃料電池部と負荷との間に配置され前記制御部から
の前記制御信号に応じて運転時に前記燃料電池部からの
発電出力を変換可能に制御する第1の出力変換部と、 前記燃料電池部と負荷との間に配置され前記制御部から
の前記制御信号に応じて前記燃料電池部の抵抗分の測定
時に所要の出力を行う第2の出力変換部とを有すること
を特徴とする燃料電池装置。
10. A fuel cell unit for performing required power generation based on fuel supply, an output monitoring unit for monitoring a power generation output of the fuel cell unit by measuring a resistance component of the fuel cell unit, and the output monitoring. A control unit for generating a control signal for controlling a power generation output from the fuel cell unit in response to a signal from the unit, and a control signal from the control unit disposed between the fuel cell unit and a load. A first output conversion unit that controls the power generation output from the fuel cell unit to be convertible during operation in response to the control signal from the control unit disposed between the fuel cell unit and a load. A fuel cell device comprising: a second output converter that performs a required output when measuring the resistance of the fuel cell unit.
【請求項11】 前記出力監視部は負荷側に供給される
電流を遮断しながら前記燃料電池部の抵抗分を測定する
ことを特徴とする請求項10記載の燃料電池装置。
11. The fuel cell device according to claim 10, wherein the output monitoring unit measures the resistance of the fuel cell unit while interrupting a current supplied to a load.
【請求項12】 前記電流の遮断は前記燃料電池部と前
記出力変換部の間に配設された半導体能動素子をオンオ
フ制御することで行われることを特徴とする請求項10
記載の燃料電池装置。
12. The method according to claim 10, wherein the interruption of the current is performed by controlling on / off of a semiconductor active element disposed between the fuel cell unit and the output conversion unit.
The fuel cell device according to claim 1.
【請求項13】前記燃料電池部の抵抗分の測定は前記燃
料電池部に所定の電流を流した際の電圧変化によって測
定されることを特徴とする請求項10記載の燃料電池装
置。
13. The fuel cell device according to claim 10, wherein the resistance of the fuel cell unit is measured by a voltage change when a predetermined current is applied to the fuel cell unit.
【請求項14】 前記第2の出力変換部は一対の電圧変
換部を前記燃料電池部と前記負荷との間に直列接続した
構成を有し、放電により負荷電圧を所定の値に維持する
ための容量が前記一対の電圧変換部の間に配置されるこ
とを特徴とする請求項10記載の燃料電池装置。
14. The second output converter has a configuration in which a pair of voltage converters are connected in series between the fuel cell unit and the load, and maintains the load voltage at a predetermined value by discharging. 11. The fuel cell device according to claim 10, wherein the capacity of the fuel cell is disposed between the pair of voltage conversion units.
【請求項15】 前記容量は電気二重層コンデンサから
なることを特徴とする請求項10記載の燃料電池装置。
15. The fuel cell device according to claim 10, wherein said capacitance is formed of an electric double layer capacitor.
【請求項16】 前記燃料電池部は乾燥時に加湿される
ように制御されることを特徴とする請求項10記載の燃
料電池装置。
16. The fuel cell device according to claim 10, wherein the fuel cell unit is controlled so as to be humidified during drying.
【請求項17】 燃料電池部に対して燃料を供給して所
要の発電を行うと共に、 前記燃料電池部の抵抗分を測定することによって前記燃
料電池部の発電出力を監視し、 前記発電出力を監視した結果に応じて前記燃料電池部か
らの発電出力を制御するための制御信号を発生させ、 前記制御信号に応じて前記燃料電池部からの発電出力を
変換可能に制御することを特徴とする燃料電池装置の運
転方法。
17. A fuel cell unit supplies fuel to the fuel cell unit to generate required electric power, and monitors a power generation output of the fuel cell unit by measuring a resistance component of the fuel cell unit. A control signal for controlling the power generation output from the fuel cell unit is generated according to the monitored result, and the power generation output from the fuel cell unit is controlled to be convertible according to the control signal. An operation method of the fuel cell device.
【請求項18】 燃料電池部に対して燃料を供給して所
要の発電を行うと共に、 前記燃料電池部の抵抗分を測定することによって前記燃
料電池部の発電出力を監視し、 前記発電出力を監視した結果に応じて前記燃料電池部か
らの発電出力を制御するための制御信号を発生させ、 運転時には前記制御信号に応じて前記燃料電池部からの
発電出力を変換可能に制御すると共に前記燃料電池部の
抵抗分の測定時には前記運転時とは異なる経路で前記燃
料電池部からの発電出力を変換可能に制御することを特
徴とする燃料電池装置の運転方法。
18. A fuel cell unit supplies fuel to the fuel cell unit to generate required power, and monitors a power generation output of the fuel cell unit by measuring a resistance component of the fuel cell unit. A control signal for controlling a power generation output from the fuel cell unit is generated in accordance with the monitored result, and in operation, the power generation output from the fuel cell unit is controlled to be convertible in accordance with the control signal and the fuel is controlled. A method for operating a fuel cell device, comprising: controlling the output of power from the fuel cell unit so that the output of the fuel cell unit can be converted through a different path from that used during the operation when measuring the resistance of the battery unit.
【請求項19】 前記異なる経路には放電により負荷電
圧を所定の値に維持するための容量が配設されることを
特徴とする請求項18記載の燃料電池装置の運転方法。
19. The method according to claim 18, wherein a capacity for maintaining a load voltage at a predetermined value by discharging is provided in the different paths.
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