JP2003243008A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】燃料電池スタックを並列に接続する場合、各燃
料電池スタックでの燃料ガス消費量が、燃料電池スタッ
クに依らず一定とする。 【解決手段】複数の燃料電池スタック３−１〜ｎと複数
の電力変換器４−１〜ｎと制御装置７とを具備する燃料
電池システムを用いる。燃料電池スタック３は、燃料ガ
スと酸化ガスを供給され、電力としての燃料電池電力を
発電する。電力変換器４は、燃料電池スタック３に接続
され、その燃料電池電力の特性を変換する。制御装置７
は、複数の電力変換器４−１〜ｎの各々を互いに独立に
制御する。そして、燃料電池スタック３と電力変換器４
との組の各々は、互いに並列に接続される。制御装置７
は、複数の燃料電池スタック３−１〜ｎの各々の燃料利
用率を等しくするように、複数の燃料電池スタック３−
１〜ｎの各々の出力電流を複数の電力変換器４−１〜ｎ
の各々で制御する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、燃料電池システム
に関し、特に、複数の燃料電池スタックを並列接続する
場合の、燃料電池スタック間の出力電流を等しくするシ
ステムに関する。

【０００２】

【従来の技術】燃料電池システムの概要を図２を用いて
説明する。図２は、従来の燃料電池システムの構成を示
す図である。燃料電池システムは、燃料ガス供給装置１
０１、酸化ガス供給装置１０２、燃料電池スタック１０
３、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０４、制御装置１０７、補
機１０８及び２次電池１０９を具備する。そして、負荷
装置１１０に接続され、負荷装置１１０へ電力を供給し
ている。

【０００３】燃料ガス供給装置１０１は、水素又はメタ
ノールやガソリン等を改質して得られる水素リッチガス
を、燃料電池スタック１０３へ供給する。酸化ガス供給
装置１０２は、酸素又は空気を、燃料電池スタック１０
３へ供給する。燃料電池スタック１０３は、水素と酸素
とを用いて発電を行なう。ここで、燃料電池スタック１
０３は、単独のスタックの場合だけでなく、複数のスタ
ックを直列に接続する場合や、並列に接続する場合など
が有る。ＤＣ／ＤＣコンバータ１０４は、燃料電池スタ
ック１０３で発電された直流電力を、所望の特性を有す
る直流電力へ変換する。制御装置１０７は、燃料電池シ
ステム全体を制御する。補機１０８は、空気を酸化ガス
供給装置１０２へ供給する空気圧縮機、メタノールやガ
ソリン等を燃料ガス供給装置１０１へ供給する燃料ポン
プ、冷却水を燃料電池スタック１０３へ供給する冷却水
ポンプ、流量制御弁等である。図示していないが、燃料
ガス供給装置、酸化ガス供給装置及び燃料電池スタック
と密接している。２次電池１０９は、燃料電池スタック
１０３の起動用電力の供給や負荷変動吸収のために用い
られ、必要電気量に応じては、コンデンサ等でも可能で
ある。ただし、２次電池１０９の替わりに、起動用電力
に外部電源（商用電源等）が利用でき、また、負荷変動
が燃料電池電力の負荷応答性の範囲内であれば、無くて
も良い。負荷装置１１０は、車両用燃料電池システムの
場合には、車両駆動用のインバータ、モータ等である。
据置型の燃料電池システムの場合には、商用インバータ
等である。

【０００４】通常、燃料電池スタック１０３は、起動や
負荷変動吸収のため、２次電池１０９と併用される。起
動時、補機１０８は２次電池１０９より電力供給を受
け、燃料電池スタック１０３を立ち上げる。燃料電池ス
タック１０３の発電が可能になると、燃料電池スタック
１０３は出力を始める。そして、負荷装置１１０の負荷
が小さい場合には、燃料電池スタック１０３の出力で補
機１０８及び負荷装置１１０の電力を賄い、余剰電力を
２次電池１０９に充電する。負荷が大きい場合には、燃
料電池スタック１０３と２次電池１０９の出力で補機１
０８及び負荷装置１１０の電力を賄う。

【０００５】ここで、燃料電池スタック１０３は、複数
の燃料電池（セル）を組み合わせたものである。セルに
おいては、製造上の特性のバラツキが小さい場合でも、
セルが複数集まった燃料電池スタック１０３において
は、そのバラツキが大きくなる場合がある。バラツキの
原因としては、製造上の理由や温度等の運転状態などの
理由が考えられる。

【０００６】例えば、Ｖ−Ｉ特性について、バラツキの
様子を示したのが図３である。図３は、水素流量一定の
場合における燃料電池スタックの出力電流（Ｉ）と出力
電圧（Ｖ）との関係を示すグラフである。図３に示すよ
うに、燃料電池スタックにより、曲線Ａ、Ｂ及びＣのよ
うにＶ−Ｉ特性に相違が見られる。このような３つの燃
料電池スタックを考えた場合、それらを直列に接続する
場合では、各燃料電池スタックの出力電流Ｉが等しくな
る（Ｉ_０）。従って、水素の消費量が各燃料電池スタッ
クとも等しくなる。すなわち、水素消費量を均等（燃料
利用率が燃料電池スタックに依らず一定）にすることが
出来る。一方、それらを並列に接続する場合、出力電圧
Ｖは一定（Ｖ_０）となるが、出力電流Ｉにバラツキが生
じる。従って、出力電流Ｉの少ない燃料電池スタック
（曲線Ａ：Ｉ＝Ｉ_１）は、水素が余り、大きい燃料電池
スタック（曲線Ｃ：Ｉ＝Ｉ _２）は、水素が不足する。す
なわち、水素消費量が不均一（燃料利用率が燃料電池ス
タックにより相違）となる。並列接続時の水素消費量
が、燃料電池スタックに依らず一定（すべての燃料電池
スタックにおいて、一定電流）とすることが可能な技術
が求められている。

【０００７】燃料電池スタックを並列に接続する技術と
して、以下の各技術が開示されている。特許第２７４５
７７６号公報に、燃料電池発電システムの技術が開示さ
れている。この技術は、各燃料電池スタックを並列に接
続した際、各スタックへのガス供給量を、各出力電流に
応じて制御している。すなわち、並列接続（電圧一定）
で出力電流が少ない燃料電池スタックへは燃料ガスの流
量を小さくし、全ての燃料電池スタックにおいて燃料利
用率を一定とするように制御する。この場合、燃料ガス
の流量を少なくすると、燃料電池スタックのＶ−Ｉ特性
は影響を受けて変動する。そして、Ｖ−Ｉ特性の変化に
より、電圧一定で、更に出力電流が小さくなる場合が考
えられる。そうなると、再び燃料ガスの流量を少なくす
る必要がでてくるので、制御が不安定になる可能性があ
ると考えられる。出力電流が大きい場合は、燃料ガスの
流量を多くすることになるが、同様の可能性が考えられ
る。

【０００８】特開平７−２０１３５４号公報に、直流発
電設備の運転準備方法の技術が開示されている。この技
術は、電池特性にバラツキを有する複数の燃料電池スタ
ックについて、それらの各々を組み合わせて出力電流の
等しくなるような直列接続の組を作る。そして、それら
の組を並列接続することで、電池特性のバラツキを調整
している。この場合、複数の燃料電池スタック間に、最
適な組み合わせが無い場合が有り得る、運転中には燃料
電池スタックの組み合わせを変更することが出来ない、
等の問題が考えられる。

【０００９】特開平８−５０９０２号公報に、燃料電池
発電装置の技術が開示されている。この技術は、各燃料
電池スタックにＤＣ／ＡＣインバータを設け、変圧器に
より出力電圧を合わせたのち、並列接続して結合してい
る。この場合、２次電池を用いる既述のハイブリッドシ
ステム（図２）では適用できない。無理に適用しようと
すれば、ＤＣ／ＡＣインバータの後段に、新たにＡＣ／
ＤＣコンバータを加えて再び直流電力に変換する必要が
ある。

【００１０】特開平８−１３８６８９号公報に、燃料電
池発電装置の技術が開示されている。この技術は、燃料
電池スタックでの出力電流を一定にした場合の、出力電
圧の相違を燃料電池スタックに直列に接続した可変抵抗
により吸収し、並列接続している。この場合、抵抗によ
る熱損失が発生するので、システム効率が低下すること
が考えられる。

【００１１】また、燃料電池スタックを並列接続する場
合においても、従来、全燃料電池スタックは、全て動作
させることが前提であり、個別に動作、停止、メンテナ
ンス（修理、交換等）させることは行なわれていなかっ
た。これは、一つの設置場所（容器）内に、全ての燃料
電池スタックを配設することが多いためである。燃料電
池スタックを個別に動作、停止、メンテナンス（修理、
交換等）可能な技術が求められている。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】従って、本発明の目的
は、燃料電池スタックを並列に接続する場合、各燃料電
池スタックでの燃料ガス消費量が、燃料電池スタックに
依らず一定とすることが可能な燃料電池システムを提供
することである。

【００１３】また、本発明の他の目的は、複数の燃料電
池スタックを有する燃料電池システムにおいて、燃料電
池スタックを個別に動作、停止、メンテナンス（修理、
交換等）可能な燃料電池システムを提供することであ
る。

【００１４】本発明の更に他の目的は、複数の燃料電池
スタックを有する燃料電池システムにおいて、いくつか
の燃料電池スタックが故障した場合でも、他の燃料電池
スタックを運転しつづけることが可能な燃料電池システ
ムを提供することである。

【００１５】また、本発明の別の目的は、複数の燃料電
池スタックを有する燃料電池システムにおいて、負荷の
減少により発電量が低下した場合でも、燃料ガスの利用
率を維持することが可能な燃料電池システムを提供する
ことである。

【００１６】

【課題を解決するための手段】以下に、［発明の実施の
形態]で使用される番号・符号を用いて、課題を解決す
るための手段を説明する。これらの番号・符号は、［特
許請求の範囲］の記載と［発明の実施の形態］との対応
関係を明らかにするために付加されたものである。ただ
し、それらの番号・符号を、［特許請求の範囲］に記載
されている発明の技術的範囲の解釈に用いてはならな
い。

【００１７】従って、上記課題を解決するために、本発
明の燃料電池システムは、複数の燃料電池スタック（３
−１〜ｎ）と、複数の電力変換器（４−１〜ｎ）と、制
御装置（７）とを具備する。複数の燃料電池スタック
（３−１〜ｎ）は、燃料ガスと酸化ガスを供給され、電
力としての燃料電池電力を発電する。複数の電力変換器
（４−１〜ｎ）は、複数の燃料電池スタック（３−１〜
ｎ）の各々に接続され、その燃料電池電力の特性を変換
する。制御装置（７）は、複数の電力変換器（４−１〜
ｎ）の各々を互いに独立に制御する。そして、複数の燃
料電池スタック（３−１〜ｎ）の各々と複数の電力変換
器（３−１〜ｎ）の各々との組の各々は、互いに並列に
接続されている。また、制御装置（７）は、複数の電力
変換器（４−１〜ｎ）の各々の出力電圧を等しくするよ
うに制御する。

【００１８】また、本発明の燃料電池システムは、制御
装置（７）が、複数の燃料電池スタック（３−１〜ｎ）
の各々の燃料利用率を等しくするように、複数の燃料電
池スタック（３−１〜ｎ）の各々の出力電流を複数の電
力変換器（４−１〜ｎ）の各々で制御する。

【００１９】また、本発明の燃料電池システムは、複数
の燃料電池スタック（３−１〜ｎ）の各々へ供給するそ
の燃料ガスの流量を調整する複数の流量制御装置（５−
１〜ｎ）をさらに具備する。そして、制御装置（７）
は、複数の燃料電池スタック（３−１〜ｎ）の各々へ供
給するその燃料ガスの流量を等しくするように、複数の
流量制御装置（５−１〜ｎ）の各々を制御する。

【００２０】更に、本発明の燃料電池システムは、複数
の燃料電池スタック（３−１〜ｎ）の各々へ供給するそ
の燃料ガスの流量を調整する複数の流量制御装置（５−
１〜ｎ）を更に具備する。そして、制御装置（７）は、
複数の流量制御装置（５−１〜ｎ）の各々を互いに独立
に制御する。

【００２１】更に、本発明の燃料電池システムは、制御
装置（７）において、複数の燃料電池スタック（３−１
〜ｎ）の各々のその燃料電池電力が、予め設定された最
低電力量以下にならないように、複数の燃料電池スタッ
ク（３−１〜ｎ）の稼動数（ｋ）を制御する。

【００２２】更に、本発明の燃料電池システムは、複数
の燃料電池スタック（３−１〜ｎ）と、複数の流量制御
装置（５−１〜ｎ）と、複数の電力変換器（４−１〜
ｎ）と、制御装置（７）とを具備する。複数の燃料電池
スタック（３−１〜ｎ）は、燃料ガスと酸化ガスを供給
され、電力としての燃料電池電力を発電する。複数の流
量制御装置（５−１〜ｎ）は、複数の燃料電池スタック
（３−１〜ｎ）の各々へ供給するその燃料ガスの流量を
調整する。複数の電力変換器（４−１〜ｎ）は、複数の
燃料電池スタック（３−１〜ｎ）の各々に接続され、そ
の燃料電池電力の特性を変換する。制御装置（７）は、
複数の燃料電池スタック（３−１〜ｎ）の内の１つと、
複数の電力変換器（４−１〜ｎ）の内の１つと、複数の
流量制御弁（５−１〜ｎ）の内の１つとを有する複数の
組の各々を互いに独立に制御する。そして、その複数の
組の各々は、互いに並列に接続されている。

【００２３】更に、本発明の燃料電池システムは、制御
装置（７）が、複数の燃料電池スタック（３−１〜ｎ）
の内の故障の発生したものを含むその組の動作を停止す
る。

【００２４】上記課題を解決するための、本発明の燃料
電池システムの運転方法は、互いに並列に接続された複
数の燃料電池スタック（３−１〜ｎ）の各々に、等しい
流量の燃料ガスを供給するステップと、複数の燃料電池
スタック（３−１〜ｎ）の各々において、予め設定され
た燃料利用率で発電し、電力としての複数の燃料電池電
力を得るステップと、その複数の燃料電池電力の各々
を、負荷（１０）へ供給可能な電圧を有する電力として
の複数の供給電力に変換するステップと、その複数の供
給電力の各々を結合して負荷（１０）へ供給するステッ
プとを具備する。

【００２５】また、本発明の燃料電池システムの運転方
法は、複数の燃料電池スタック（３−１〜ｎ）の各々の
その燃料電池電力が、予め設定された最低電力量以下に
ならないように、複数の燃料電池スタック（３−１〜
ｎ）の稼動数（ｋ）を制御するステップを更に具備す
る。

【００２６】更に、本発明の燃料電池システムの運転方
法は、複数の燃料電池スタック（３−１〜ｎ）の内の故
障の発生したものの運転を停止するステップを更に具備
する。

【００２７】

【発明の実施の形態】以下、本発明である燃料電池シス
テムの実施の形態に関して、添付図面を参照して説明す
る。先ず、本発明である燃料電池システムの実施の形態
における構成について説明する。図１は、本発明である
燃料電池システムの実施の形態における構成を示す図で
ある。燃料電池システムは、燃料ガス供給装置１、酸化
ガス供給装置２、燃料電池スタック３−１〜ｎ（ｎは自
然数、以下同じ）、ＤＣ／ＤＣコンバータ４−１〜ｎ、
燃料ガス流量制御弁５−１〜ｎ、酸化ガス流量制御弁６
−１〜ｎ、制御装置７、補機８及び２次電池９を具備す
る。そして、負荷装置１０に接続され、負荷装置１０へ
電力を供給している。

【００２８】燃料ガス供給装置１は、燃料ガス流量制御
弁５−ｉ（ｉ＝１〜ｎは自然数、以下同じ）を介して、
燃料電池スタック３−ｉへ供給する燃料ガスの供給を制
御する。ここで、燃料ガスは、水素、又はメタノールや
ガソリン等の炭化水素系材料を改質して得られる水素リ
ッチガスに例示される水素を含むガスである。酸化ガス
供給装置２は、酸化ガス流量制御弁６−ｉを介して燃料
電池スタック３−ｉへ供給する酸化ガスの供給を制御す
る。ここで、酸化ガスは、酸素、又は空気に例示される
酸素を含むガスである。

【００２９】燃料電池スタック３−ｉは、燃料ガス中の
水素と酸化ガス中の酸素とを用いて発電を行なうセルの
集合体（セルを直列に複数個接続したスタック）であ
る。各燃料電池スタック３−ｉには、専用のＤＣ／ＤＣ
コンバータ４−ｉ（後述）が接続している。図１中に
は、ｎ個の燃料電池スタック３−１〜ｎとＤＣ／ＤＣコ
ンバータ４−１〜ｎとの組が並列接続している例を示し
ている。ここで、燃料電池スタック３−ｉは、単独のス
タックの場合だけでなく、複数のスタックを直列に接続
する場合（出力電圧を高くすることが出来る）や、並列
に接続する場合（出力電流を多くすることが出来る）な
どが有る。また、セルとしては、固体高分子型、リン酸
型、溶融炭酸塩型、固体酸化物型等の燃料電池に例示さ
れる。

【００３０】ＤＣ／ＤＣコンバータ４−ｉは、燃料電池
スタック３−ｉに直列に接続されている。一つの燃料電
池スタック３−ｉに一つのＤＣ／ＤＣコンバータ４−ｉ
が専属に対応（接続）している。ＤＣ／ＤＣコンバータ
４−ｉは、燃料電池スタック３−ｉで発電された直流電
力としての燃料電池電力を、所望の特性（所望の電流及
び電圧）を有する直流電力へ変換する。また、燃料電池
電力の電流及び電圧を制御可能である。例えば、燃料電
池スタック３−ｉから引き出す電流を制御することによ
り、燃料電池電力の電流を所望の電流値に制御する。

【００３１】燃料電池スタック３−ｉとＤＣ／ＤＣコン
バータ４−ｉと（燃料ガス流量制御弁５−ｉと酸化ガス
流量制御弁６−ｉ）の複数の組の各々は、他の組が運転
されている状態においても、それぞれ個別に動作、停止
可能なように、制御装置７に制御される。また、他の組
が運転されている状態においても、それぞれ個別にメン
テナンス（修理、交換等）が可能なように、配設されて
いる。例えば、個別に取り出しが可能なように、適切な
間隔で配設されている、保温を個別に行なっている、な
どである。

【００３２】制御装置７は、燃料電池システム全体（燃
料ガス供給装置１、酸化ガス供給装置２、燃料電池スタ
ック３−１〜ｎ、ＤＣ／ＤＣコンバータ４−１〜ｎ、燃
料ガス流量制御弁５−１〜ｎ、酸化ガス流量制御弁６−
１〜ｎ、補機８及び２次電池９を含む）を制御する。そ
して、燃料電池スタック３−ｉ、ＤＣ／ＤＣコンバータ
４−ｉ、燃料ガス流量制御弁５−ｉ及び酸化ガス流量制
御弁６−ｉの複数の組の各々を、それぞれ独立して制御
（例えば、タイムシェアリングや複数のＣＰＵを有する
など）することが可能である。

【００３３】補機８は、燃料ガス供給装置１へ燃料を供
給する燃料ポンプ、酸化ガス供給装置２へ酸化ガス（空
気）を加圧して供給する空気圧縮機、燃料電池スタック
３−１〜ｎへ冷却水を供給する冷却水ポンプ、各ポンプ
の流量制御弁（図示せず）等である。図示していない
が、補機８は、燃料ガス供給装置１、酸化ガス供給装置
２及び燃料電池スタック３−１〜ｎの然るべき位置に配
設されている。

【００３４】２次電池９は、燃料電池スタック３−１〜
ｎの起動用電力の供給、負荷変動により発生する燃料電
池電力の余剰分（余剰電力）の貯蔵、負荷変動による燃
料電池電力の不足の場合における負荷装置１０への電力
の供給等に用いられる。

【００３５】なお、２次電池９の機能は、必要電気量に
応じては、コンデンサ等でも代替が可能である。また、
起動用電力には、外部電源（商用電源等）が利用でき
る。負荷変動が燃料電池電力の負荷応答性の範囲内であ
れば、２次電池９が無くても良い。

【００３６】負荷装置１０は、車両用燃料電池システム
の場合には、車両駆動用のインバータ、モータ等であ
る。据置型の燃料電池システムの場合には、商用インバ
ータ等である。

【００３７】次に、本発明である燃料電池システムの実
施の形態における動作について、図１を参照して説明す
る。制御装置７の制御により、起動時、補機８は、２次
電池９より電力供給を受け、燃料電池スタック３−１〜
ｎを立ち上げる。そして、燃料電池スタック３−１〜ｎ
を発電可能な状態（温度、圧力及び燃料ガス及び酸化ガ
ス等の状態）にする。

【００３８】制御装置７は、燃料電池スタック３−１〜
ｎの発電が可能になると、燃料電池スタック３−１〜ｎ
に負荷装置１０を電気的に接続し、燃料電池電力を出力
させる。その際、制御装置７は、負荷装置１０の負荷の
大きさと、２次電池９の蓄電量と、補機８の電力使用量
とに基づいて、燃料電池スタック３−１〜ｎに発電させ
る燃料電池電力の大きさを決定する。例えば、負荷装置
１０の負荷が小さい場合には、燃料電池スタック３−１
〜ｎの出力のみで補機８及び負荷装置１０の電力を賄
う。その時、２次電池９の蓄電量が少ない場合には、余
剰電力を発生させて、２次電池９に充電する。負荷装置
１０の負荷が大きい場合には、燃料電池スタック３−１
〜ｎと２次電池９の出力で補機８及び負荷装置１０の電
力を賄う。各電力の測定は、各構成に配置された電流
計、電圧計及び電力計等により、計測可能である。ま
た、その発電量決定のロジックは、従来用いられている
方法を利用できる。

【００３９】燃料電池スタック３−１〜ｎに発電させる
燃料電池電力の大きさ（総量）の決定後、制御装置７
は、燃料電池スタック３−１〜ｎの全てに発電させるか
どうかを決定する。これは、各燃料電池スタック３−ｉ
の発電量が、予め設定された最低発電量以下になるかど
うかで判定する。すなわち、燃料電池スタック３（−１
〜ｎ）一基当たりの発電量（＝燃料電池電力の大きさ
（総量）／ｎ）＞最低発電量、ならば、燃料電池スタッ
ク３−１〜ｎの全てに発電させるように制御する。燃料
電池電力の大きさ（総量）／ｎ≦最低発電量、ならば、
燃料電池電力の大きさ（総量）／ｋ＞最低発電量、とな
るｋ（ｋ（≦ｎ）は自然数）を求める。そして、燃料電
池スタック３−１〜ｎの内のｋ基にのみ発電させるよう
に制御する。

【００４０】ｎ基からｋ基を選択するのには、任意の方
法で行なうことが可能である。例えば、選択に偏りが生
じないように、ランダムに選択する、あるいは、制御装
置７内で各燃料電池スタック３−ｉの累積発電時間（発
電量）を記憶しておき、予め設定された期間内で各燃料
電池スタック３−ｉが同程度の時間（発電量）使用され
るように分配する。

【００４１】上記のように制御させるのは以下の理由に
よる。燃料電池の運転においては、効率の面から、燃料
ガスの利用率（燃料利用率＝発電に使用した燃料ガスの
量／燃料電池に供給した燃料ガスの量）を一定に保って
運転することが求められる。一方で、燃料ガスは、発電
効率を劣化させる燃料電池内の余剰水分（未使用の水及
び生成水）を排水する役割も担っている。従って、発電
量を減少させる際、燃料ガスの利用率を一定にするため
に、燃料ガスを減少させると、その排水能力の低下を招
くことになる。その結果、発電効率の低下を招くことに
なる。従って、ある発電量（最低発電量）以下の発電
は、行なわないことが望ましい（行なう場合には、燃料
ガスの利用率から求まる燃料ガスの流量よりも、多くの
燃料ガスを流す必要が有り、効率が低下する）。

【００４２】次に、制御装置７は、選択された燃料電池
スタック３（本実施例では、燃料電池スタック３−１〜
ｋとする）に対応する燃料ガス流量制御弁５−１〜ｋ及
び酸化ガス流量制御弁６−１〜ｋを制御して、選択され
た燃料電池スタック３−１〜ｋの各々へ、均等な量の燃
料ガス及び酸化材ガスを供給する。燃料ガスの供給量
は、選択された燃料電池スタック３−１〜ｋの各々に出
力させる出力電流Ｉ_{ｉｎ −１〜ｋ}の大きさに基づいて、
予め設定された燃料利用率になるように決定する。ま
た、酸化ガスの供給量は、出力電流Ｉ_{ｉｎ−１〜ｋ}の大
きさ（あるいは、燃料ガスの燃料利用率）に基づいて、
予め設定された酸素利用率になるように決定する。燃料
利用率、酸素利用率の値は、制御装置７内に格納されて
いる。

【００４３】制御装置７は、各ＤＣ／ＤＣコンバータ４
−１〜ｋを制御し、選択された燃料電池スタック３−１
〜ｋの各々の出力電流Ｉ_{ｉｎ−１〜ｋ}を等しい値になる
ようにする。すなわち、選択された燃料電池スタック３
−１〜ｋの各々は、全て等しい量の燃料ガスを供給さ
れ、全て等しい出力電流Ｉ_{ｉｎ−１〜ｋ}（＝燃料ガス消
費量が等しい）で発電を行なうことになる。従って、選
択された燃料電池スタック３−１〜ｋの各々の燃料利用
率が、全て等しい値となる。

【００４４】選択された燃料電池スタック３−１〜ｋの
各々は、全て等しい出力電流Ｉ_{ｉｎ −１〜ｋ}（＝燃料ガ
ス消費量が等しい）で発電を行なうが、それぞれの出力
電流と出力電圧との関係（図３に例示）は異なってい
る。従って、出力電圧Ｖ_{ｉｎ− １〜ｋ}は、燃料電池スタ
ック３−１〜ｋ毎に異なる値となる。

【００４５】各ＤＣ／ＤＣコンバータ４−１〜ｋは、燃
料電池電力Ｐ_{ｉｎ−１〜ｋ}（出力電圧Ｖ_{ｉｎ−１〜ｋ}及
び出力電流Ｉ_{ｉｎ−１〜ｋ}）を、補機８、２次電池９及
び負荷装置１０に基づいて定まるシステム電圧Ｖ_Ｓを有
する電力Ｐ_{ｏｕｔ−１〜ｋ}（＝ρ×Ｖ_{ｉｎ−１〜ｋ}×Ｉ
_{ｉｎ−１〜ｋ}）に変換する。ただし、ρはＤＣ／ＤＣコ
ンバータ４−１〜ｋの電力変換効率である。そのときの
電流Ｉ_{ｏｕｔ−１〜ｋ}は、Ｉ_{ｏｕｔ−１〜ｋ}＝ρ×Ｖ
_{ｉｎ−１〜ｋ}×Ｉ_{ｉｎ−１〜ｋ}／Ｖ_Ｓ、である。

【００４６】変換された電力Ｐ_{ｏｕｔ−１〜ｋ}（Ｉ
_{ｏｕｔ−１〜ｋ}、Ｖ_Ｓ）は、補機８、負荷装置１０で消
費される。余剰電力は２次電池９に蓄電される。

【００４７】以上の動作により、出力電流−出力電圧特
性の異なる燃料電池スタック３−１〜ｎの各々へ、等し
い量の燃料ガスを供給しても、出力電流が一定なので燃
料ガスの過不足を生じることが無い。従って、燃料電池
スタック３−１〜ｎの全てにおいて、燃料利用率一定の
運転を行なうことか可能となる。そして、この場合、燃
料電池スタック３−１〜ｎの各々に全て等しい量の燃料
ガスを供給することになるので、燃料ガスの制御が非常
に容易であり、安定した制御が可能となる。

【００４８】また、出力電圧Ｖ_{ｉｎ−１〜ｎ}が燃料電池
スタック３−１〜ｎ毎に異なる値でも、ＤＣ／ＤＣコン
バータ４−１〜ｎの各々での出力電圧＝システム電圧Ｖ
_Ｓで一定とすることが出来る。すなわち、ＤＣ／ＤＣコ
ンバータ４−１〜ｎを用いることにより、等しい出力電
圧Ｖ_Ｓで各燃料電池スタック３−１〜ｎを並列接続する
ことが可能となる。

【００４９】燃料電池スタック３−１〜ｎは並列接続で
あり、その発電量の調整は制御装置７によりＤＣ／ＤＣ
コンバータ４−１〜ｎを用いて制御されるので、燃料電
池スタック３−１〜ｎの各々は、残りの燃料電池スタッ
ク３−１〜ｎに対して独立に制御することが可能とな
る。すなわち、故障などの理由により、燃料電池スタッ
ク３−１〜ｎの内のいくつかを停止する必要がある場合
でも、残りの運転を継続することが可能となる。

【００５０】また、発電量が減少した場合でも、燃料電
池スタック３−１〜ｎの各々を独立に制御（運転及び停
止を含む）することが出来るので、発電する燃料電池ス
タック３−１〜ｎの数を減らすことで対応することが可
能である。それにより、燃料電池スタック３−１〜ｎ一
基当たりの発電量を、最低電力量よりも多くでき、燃料
利用率の悪化によるシステム効率の低下を防止すること
が出来る。

【００５１】また、燃料電池スタック３−１〜ｎの各々
を独立に制御することが出来るので、各燃料電池スタッ
ク３−ｉの状態に応じて、供給する燃料ガスの流量を制
御（燃料ガス流量制御弁５−ｉによる）し、各燃料電池
スタック３−ｉでの燃料利用率を独立に制御することも
可能である。それにより、性能が劣化した燃料電池スタ
ック３−ｉでも、使用期間を延ばすことが出来、例え
ば、予備の燃料電池スタック３が準備できるまで運転を
継続することが可能となる。

【００５２】

【発明の効果】本発明により、燃料電池スタックを並列
に接続する場合、各燃料電池スタックでの燃料ガス消費
量が、燃料電池スタックに依らず一定とすることが可能
となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明である燃料電池システムの実施の形態に
おける構成を示す図である。

【図２】従来の燃料電池システムの構成を示す図であ
る。

【図３】燃料電池スタックの出力電流と出力電圧との関
係を示すグラフである。

【符号の説明】

１ 燃料ガス供給装置 ２ 酸化ガス供給装置 ３（−１〜ｎ） 燃料電池スタック ４（−１〜ｎ） ＤＣ／ＤＣコンバータ ５（−１〜ｎ） 燃料ガス流量制御弁 ６（−１〜ｎ） 酸化ガス流量制御弁 ７ 制御装置 ８ 補機 ９ ２次電池 １０ 負荷装置 １０１ 燃料ガス供給装置 １０２ 酸化ガス供給装置 １０３ 燃料電池スタック １０４ ＤＣ／ＤＣコンバータ １０７ 制御装置 １０８ 補機 １０９ ２次電池 １１０ 負荷装置

フロントページの続き Ｆターム(参考） 5H026 AA06 5H027 AA04 AA05 AA06 BA01 CC06 DD03 MM02 MM08 MM26

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】燃料ガスと酸化ガスを供給され、電力とし
   ての燃料電池電力を発電する複数の燃料電池スタック
   と、 前記複数の燃料電池スタックの各々に接続され、前記燃
   料電池電力の特性を変換する複数の電力変換器と、 前記複数の電力変換器の各々を互いに独立に制御する制
   御装置と、 を具備し、 前記複数の燃料電池スタックの各々と前記複数の電力変
   換器の各々との組の各々は、互いに並列に接続され、 前記制御装置は、前記複数の電力変換器の各々の出力電
   圧を等しくするように制御する、 燃料電池システム。
2. 【請求項２】前記制御装置は、前記複数の燃料電池スタ
   ックの各々の燃料利用率を等しくするように、前記複数
   の燃料電池スタックの各々の出力電流を前記複数の電力
   変換器の各々で制御する、 請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 【請求項３】前記複数の燃料電池スタックの各々へ供給
   する前記燃料ガスの流量を調整する複数の流量制御装置
   を更に具備し、 前記制御装置は、前記複数の燃料電池スタックの各々へ
   供給する前記燃料ガスの流量を等しくするように、前記
   複数の流量制御装置の各々を制御する、 請求項２に記載の燃料電池システム。
4. 【請求項４】前記複数の燃料電池スタックの各々へ供給
   する前記燃料ガスの流量を調整する複数の流量制御装置
   を更に具備し、 前記制御装置は、前記複数の流量制御装置の各々を互い
   に独立に制御する、 請求項２に記載の燃料電池システム。
5. 【請求項５】前記制御装置は、前記複数の燃料電池スタ
   ックの各々の前記燃料電池電力が、予め設定された最低
   電力量以下にならないように、前記複数の燃料電池スタ
   ックの稼動数を制御する、請求項１乃至４のいずれか一
   項に記載の燃料電池システム。
6. 【請求項６】燃料ガスと酸化ガスを供給され、電力とし
   ての燃料電池電力を発電する複数の燃料電池スタック
   と、 前記複数の燃料電池スタックの各々へ供給する前記燃料
   ガスの流量を調整する複数の流量制御装置と、 前記複数の燃料電池スタックの各々に接続され、前記燃
   料電池電力の特性を変換する複数の電力変換器と、 前記複数の燃料電池スタックの内の１つと、前記複数の
   電力変換器の内の１つと、前記複数の流量制御弁の内の
   １つとを有する複数の組の各々を互いに独立に制御する
   制御装置と、 を具備し、 前記複数の組の各々は、互いに並列に接続されている、 燃料電池システム。
7. 【請求項７】前記制御装置は、前記複数の燃料電池スタ
   ックの内の故障の発生したものを含む前記組の動作を停
   止する、 請求項６に記載の燃料電池システム。
8. 【請求項８】互いに並列に接続された複数の燃料電池ス
   タックの各々に、等しい流量の燃料ガスを供給するステ
   ップと、 前記複数の燃料電池スタックの各々において、予め設定
   された燃料利用率で発電し、電力としての複数の燃料電
   池電力を得るステップと、 前記複数の燃料電池電力の各々を、負荷へ供給可能な電
   圧を有する電力としての複数の供給電力に変換するステ
   ップと、 前記複数の供給電力の各々を結合して前記負荷へ供給す
   るステップと、 を具備する、 燃料電池システムの運転方法。
9. 【請求項９】前記複数の燃料電池スタックの各々の前記
   燃料電池電力が、予め設定された最低電力量以下になら
   ないように、前記複数の燃料電池スタックの稼動数を制
   御するステップを更に具備する、 請求項８に記載の燃料電池システムの運転方法。
10. 【請求項１０】前記複数の燃料電池スタックの内の故障
    の発生したものの運転を停止するステップを更に具備す
    る、 請求項８又は９に記載の燃料電池システムの運転方法。