JP2006019119A - 燃料電池発電システムとその操作制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 システム全体の構成を簡素化してかつ使用する電気出力用機器の自由度を高めることにより、コストダウンと信頼性向上を実現する。
【解決手段】 主回路切替器１７１は、燃料電池本体１０からの直流電流出力をダミー負荷１７２側と汎用Ｄ／Ｄコンバータ１２０側の間で切り替える。汎用Ｄ／Ｄコンバータ１２０からの電圧出力は、抵抗を利用した電流電圧変換器１７３により電圧変換され、電圧増幅器１７４により増幅されて、空気ブロア４１とアノードオフガス放出ダンパ１３１の操作制御に使用される。汎用Ｄ／Ｄコンバータ１２０は、停止スイッチ１７５と温度ヒューズ５０を介して、燃料遮断弁３２、主回路切替器１７１と直列接続される。燃料バイパス手動弁１３２、主回路切替器１７１、および空気ブロア４１の回転軸と機械的に連動する復帰バネ付き手動型起動レバー１８１が設けられる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、燃料電池発電システムに関するものであり、特に、燃料電池本体と、電気出力用機器、燃料供給用機器および酸化剤供給用機器、等の複数の補機がパッケージ内に一体化された燃料電池システムの構成を簡素化するための技術に関するものである。

従来から、燃料の有している化学エネルギーを電気に直接変換するシステムとして、燃料電池が知られている。この燃料電池は、燃料である水素と酸化剤である酸素とを電気化学的に反応させて、電気を直接取り出すものであり、高い効率で電気エネルギーを取り出すことができると同時に、静かで有害な排ガスを出さないという環境性に優れた特徴を有するシステムである。

近年までは、比較的大型のＰＡＦＣ（りん酸形燃料電池）が主として開発されてきたが、最近では小型のＰＥＦＣ（個体高分子形燃料電池）の開発が活発化しており、家庭用燃料電池発電システムの普及も間近な状況となっている。また、水素を燃料としたポータブル型の開発も行われており、キャンプやイベント会場等において、ディーゼルエンジンのような騒音や公害を発生することなく電源を供給できるようになると期待されている。

図１２は、従来の典型的な水素燃料利用型の燃料電池発電システムの構成を示すブロック図である。この図１２に示す燃料電池発電システムは、燃料電池本体１０、専用Ｄ／Ｄコンバータ２０、燃料系統３０、酸化剤系統４０、温度ヒューズ５０、換気・冷却部６０、制御装置７０、およびこれらを一体化するパッケージ１００、等から構成されている。各部の構成および機能は次のとおりである。

ここで、燃料電池本体１０は、燃料電池アノード極１１と燃料電池カソード極１２から構成されている。専用Ｄ／Ｄコンバータ２０は、燃料電池アノード極１１と燃料電池カソード極１２に接続されており、燃料電池本体１０で発生した電気から電気出力Ｐを取り出す。

燃料系統３０は、減圧弁３１、ＦＣ（フェイルクローズ）型燃料遮断弁３２、アノードオフガス調節弁３３、等の燃料供給用機器、および排気口３４、から構成されており、パッケージＰ外に接続される水素ボンベ１０１の水素を燃料として燃料電池アノード極１１に供給する。酸化剤系統４０は、空気ブロア４１、自己加湿器４２、等の酸化剤供給用機器から構成されており、燃料電池カソード極１２に酸化剤として空気を供給する。

さらに、温度ヒューズ５０は、火災等の異常を検知するために設けられている。また、換気・冷却部６０は、パッケージ内を換気するためのパッケージ換気ファン６１、燃料電池本体を冷却するための電池冷却ファン６２、等の換気・冷却用機器から構成されている。

制御装置７０は、専用Ｄ／Ｄコンバータ２１、ＦＣ型燃料遮断弁３２、アノードオフガス調節弁３３、空気ブロア４１、温度ヒューズ５０、パッケージ換気ファン６１、電池冷却ファン６２、等の補機の操作制御を行う。

また、この燃料電池発電システムの作用は次のとおりである。水素ボンベ１０１の水素は、減圧弁３１で減圧され、ＦＣ型燃料遮断弁３２を通って燃料電池アノード極１１に供給される。燃料利用率を調節するために、アノードオフガス調節弁３３の開度は常に制御されている。一方、空気ブロア４１から送気された空気は、自己加湿器４２を通って加湿され、燃料電池カソード極１２に供給される。そして、燃料電池本体１０で発電された電気は、専用Ｄ／Ｄコンバータ２１により制御され、電気出力Ｐとして取り出される。さらに、万一、異常が発生した場合には、温度ヒューズ５０がその異常発生を検知し、システムは安全に自動停止する。

このように、燃料電池発電システムにおいて、発電運転を適正に継続し、また、異常発生を検知しかつその際に安全に停止するためには、制御装置７０が重要な役割を担っている。原則的に、制御装置７０にはセンサを含む全ての補機が接続されており、制御装置７０は、システム全体を監視しつつ、操作制御を行っている（例えば、特許文献１参照）。
特開平８−１７１９２１号公報

ところで、燃料電池発電システムの普及のためには、コストを抑えると同時に信頼性を確保する必要がある。しかしながら、上記のような従来の燃料電池発電システムでは、多数の補機が制御装置に接続されていることから、操作制御系統の構成が複雑化すると共に、使用するＤ／Ｄコンバータ等の電気出力用機器の自由度が低いため、コストダウンが難しく、商用化の阻害要因となっている。また、操作制御系統の構成が複雑である上に、複雑な構成の補機を多数使用することから、故障率が高くなりやすいため、信頼性の確保も難しい状況である。このコストダウンと信頼性向上という課題については、各開発メーカとも、有効な解決法を模索している状況である。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、その目的は、システム全体の構成を簡素化してかつ使用する電気出力用機器の自由度を高めることにより、コストダウンと信頼性向上を実現可能な燃料電池発電システムとその操作制御方法を提供することである。

本発明は、燃料電池本体の直流電流を電圧変換して得られた電圧値に基づいて補機の出力を調節することにより、制御装置を使用せずに、簡素な構成の操作制御系統で補機を柔軟に操作制御可能とし、システム全体の構成を簡素化すると共に、使用する電気出力用機器の自由度を高めることができるようにしたものである。

本発明の燃料電池発電システムは、燃料の有する化学エネルギーを直接電気に変換する燃料電池本体と、燃料電池本体で発生した電気から電気出力を取り出す電気出力用機器、燃料電池本体に燃料と酸化剤をそれぞれ供給する燃料供給用機器および酸化剤供給用機器、を含む複数の補機が、パッケージ内に一体化された燃料電池発電システムにおいて、電圧変換手段と出力調節手段を備えたことを特徴としている。ここで、電圧変換手段は、燃料電池本体の直流電流を抵抗で電圧変換する手段である。また、出力調節手段は、電圧変換された電圧値に基づいて、複数の補機の一部または全部の出力を調節する手段である。

また、本発明の燃料電池発電システムの操作制御方法は、上記のような燃料電池発電システムの特徴を、方法の観点から把握したものである。

このような本発明においては、燃料電池本体の直流電流を抵抗で電圧変換し、変換された電圧値に基づいて補機の出力を調節することにより、制御装置を使用せずに、補機を操作制御することができる。その結果、多数の補機を制御装置に接続した場合に比べて、抵抗や増幅器等の単純な部品を使用した簡素な構成の操作制御系統を実現すると共に、補機のより柔軟な操作制御を実現できるため、システム全体の構成を簡素化してかつ使用する電気出力用機器の自由度を高めることができる。これにより、コストダウンと信頼性向上の２つが同時に実現でき、本格商用化につながるものと期待される。

以上のように、本発明によれば、システム全体の構成を簡素化してかつ使用する電気出力用機器の自由度を高めることができるため、コストダウンと信頼性向上を実現可能な燃料電池発電システムとその操作制御方法を提供することができる。

以下には、本発明を適用した実施形態について、図面を参照して具体的に説明する。なお、説明の簡略化の観点から、図１２に示した従来技術と同一部分には同一符号を付している。

［第１の実施形態］
［構成］
図１は、本発明を適用した第１の実施形態に係る水素燃料利用型の燃料電池発電システムの構成を示すブロック図である。

この図１に示す燃料電池発電システムは、図１２に示した従来の燃料電池発電システムの構成を変更したものである。すなわち、まず、図１２中の専用Ｄ／Ｄコンバータ２０の代わりに汎用Ｄ／Ｄコンバータ１２０が使用されている。そして、図１２中のアノードオフガス調節弁３３の代わりに、半導体歪ゲージを利用した完全閉め切りタイプでない簡単な構造のミニマム開度付きアノードオフガス放出ダンパ１３１が使用されると共に、ＦＣ型燃料遮断弁３２をバイパスするラインが設けられ、このバイパスライン上に機械的外力で開動作する燃料バイパス手動弁１３２が設けられ、図１２中の燃料系統３０とは異なる燃料系統１３０が構成されている。

また、図１２における制御装置５０の代わりに、主回路切替器１７１、ダミー負荷１７２、電流電圧変換器１７３、電圧増幅器１７４、停止スイッチ１７５、等の単純な部品を使用した簡素な操作制御系統１７０が構成されている。ここで、主回路切替器１７１は、燃料電池本体１０からの直流電流出力をダミー負荷１７２側と汎用Ｄ／Ｄコンバータ１２０と接続する主回路側の間で切り替える。

そして、汎用Ｄ／Ｄコンバータ１２０からの電圧出力は、抵抗を利用した電流電圧変換器１７３により電圧変換され、変換された電圧出力は、電圧増幅器１７４により増幅されて、燃料電池本体１０の発電と強い相関を持つ空気ブロア４１およびアノードオフガス放出ダンパ１３１の操作制御に使用される。汎用Ｄ／Ｄコンバータ１２０はまた、押し下げにより開となる方式の停止スイッチ１７５および温度ヒューズ５０を介して、燃料遮断弁３２および主回路切替器１７１と直列接続されており、これらの補機３２，１７１の状態保持制御用の電源として機能する。

以上のような操作制御系統１７０においては、通常発電時には、汎用Ｄ／Ｄコンバータ１２０からの電圧出力により、複数の補機を制御可能であるが、システムの起動時にはそのような発電に伴う電圧出力を利用することはできない。そのため、本実施形態においては、システムを起動するための起動部１８０として、燃料バイパス手動弁１３２、主回路切替器１７１、および空気ブロア４１の回転軸と機械的に連動する押し下げ型の復帰バネ付き手動型起動レバー１８１が設けられている。

また、本実施形態の燃料電池発電システムにおいては、図１２に示した従来の燃料電池発電システムにおけるパッケージ換気ファン６１や電気冷却ファン６２などの換気・冷却部６０は省略されており、酸化剤系統４０による空気の供給を利用してパッケージ１００の換気および燃料電池本体１０の冷却を行う。

［作用］
図２は、上記のような構成を有する第１の実施形態に係る燃料電池発電システムの作用として、システム起動用の操作制御フローを示すフローチャートである。

図２に示すように、システム停止状態から燃料電池発電システムを起動する場合には、まず、ユーザにより手動型起動レバー１８１が押し下げられ、押下位置に保持される（Ｓ１１１０）。このような手動型起動レバー１８１の操作により、燃料電池本体１０への水素燃料・空気供給が開始すると共に、主回路切替動作が行われる（Ｓ１１２０）。この場合、手動型起動レバー１８１と連動する３つの補機、すなわち、燃料バイパス手動弁１３２、空気ブロア４１、および主回路切替器１７１が同時に、それぞれ次のように動作する（Ｓ１１２１〜Ｓ１１２３）。

まず、手動型起動レバー１８１と連動している燃料バイパス手動弁１３２が開となることにより、バイパスラインを通じて燃料電池アノード極１１に水素燃料が供給される。すなわち、システム停止状態では、水素ボンベ１０１からの水素燃料は、減圧弁３１を通じて閉状態のＦＣ型燃料遮断弁３２と燃料バイパス手動弁１３２を加圧しているため、この状態から燃料バイパス手動弁１３２が開となることにより、燃料電池アノード極１１がバイパスラインを通じて水素燃料により加圧される。その一方で、燃料電池アノード極１１の出口側のミニマム開度付きアノードオフガス放出ダンパ１３１は完全閉め切りタイプでなく、僅かな開状態となっているため、燃料電池アノード極１１を加圧する水素燃料が、このアノードオフガス放出ダンパ１３１を通じて下流側に微量リークし、これにより、バイパスラインを通じて燃料電池アノード極１１に微量の水素燃料が供給される（Ｓ１１２１）。

また、手動型起動レバー１８１と連動している主回路切替器１７１は、ダミー負荷側から主回路側に強制的に切り替えられ、一時的に強制主回路切替状態となる。すなわち、システム停止状態における汎用Ｄ／Ｄコンバータ１２０からの電圧非印加時には、主回路切替器１７１はダミー負荷１７２側のダミー切替状態にあるが、この状態から手動型起動レバー１８１が押し下げられると、主回路切替器１７１は主回路側に強制的に切り替えられ、手動型起動レバー１８１が押下位置に保持されている間は、強制主回路切替状態に保持される（Ｓ１１２２）。

また、空気ブロア４１の回転軸は、手動型起動レバー１８１と連動しているため、手動型起動レバー１８１が押し下げられると、空気ブロア４１が一時的に回転し、それによって、燃料電池カソード極１２に空気が供給される（Ｓ１１２３）。

このような、燃料電池本体１０への水素燃料・空気供給開始、および主回路切替動作（Ｓ１１２０）により、水素燃料および空気の供給を受けた燃料電池本体１０の電圧が上昇するため、強制主回路切替状態にある主回路切替器１７１を通じて、汎用Ｄ／Ｄコンバータ１２０への電圧印加が開始する（Ｓ１１３０）。燃料電池本体１０から汎用Ｄ／Ｄコンバータ１２０に印加される電圧が一定以上の電圧値となった時点で、汎用Ｄ／Ｄコンバータ１２０が起動し、この汎用Ｄ／Ｄコンバータ１２０からの電圧出力による燃料電池本体１０の発電、および、補機制御が開始され、起動完了状態となる（Ｓ１１４０）。

図３は、この発電・補機制御開始（Ｓ１１４０）時の制御フローを示すフローチャートである。この図３に示すように、起動した汎用Ｄ／Ｄコンバータ１２０からの電圧出力が開始し、それによる燃料電池本体１０の発電が開始する（Ｓ１１４１）。

この場合、ＦＣ型燃料遮断弁３２、主回路切替器１７１については、汎用Ｄ／Ｄコンバータ１２０からの電圧が、停止スイッチ１７５および温度ヒューズ５０を通じてＦＣ型燃料遮断弁３２、主回路切替器１７１に印加されることで、ＦＣ型燃料遮断弁３２が開となり、開状態への電気的保持が開始されると同時に、強制主回路切替状態にある主回路切替器１７１が主回路切替状態への電気的保持が開始される（Ｓ１１４２）。

一方、汎用Ｄ／Ｄコンバータ１２０からの電圧は、電流電圧変換器１７３により電圧変換され（Ｓ１１４３）、電圧増幅器１７４により電圧増幅される（Ｓ１１４４）。このように、電圧変換・増幅された電圧は、空気ブロア４１およびアノードオフガス放出ダンパ１３１に印加され、空気ブロア４１の回転を開始し、回転数の電気的な操作制御を開始すると同時に、アノードオフガス放出ダンパ１３１の開度を所定のレベルまで増大させ、開度の操作制御を開始する（Ｓ１１４５）。

このようにして、汎用Ｄ／Ｄコンバータ１２０からの電圧により、ＦＣ型燃料遮断弁３２、主回路切替器１７１、空気ブロア４１、アノードオフガス放出ダンパ１３１、の状態保持または起動操作を行う（Ｓ１１４１〜Ｓ１１４５）ことにより、起動完了状態となる。

図２に示すように、このような発電・補機制御の開始により起動完了状態となった時点（Ｓ１１４０）では、システム内の発電電力による発電の維持が可能な発電維持状態となるため、この時点で、ユーザは手動型起動レバー１８１を解放して、手動型起動レバー１８１をそのバネの力で初期位置に自動復帰させることができる（Ｓ１１５０）。

そして、このように、手動型起動レバー１８１が初期位置に自動復帰する（Ｓ１１５０）結果、この手動型起動レバー１８１と連動する燃料バイパス手動弁１３２は閉となり、主回路切替器１７１の機械的な強制主回路切替状態は解除されるが、前述したとおり、主回路切替器１７１は、主回路切替状態に電気的に保持される（Ｓ１１６０）。そして、このように手動型起動レバー１８１による機械的な強制が解除された時点で、システムは、通常発電状態となる。

なお、図２に示すようなシステム起動用の操作制御フローは、極めて短時間で完了するため、ユーザが手動型起動レバー１８１を押し下げて保持する時間は、一瞬（通常は、秒単位以下）である。この場合、手動型起動レバー１８１により複数の補機を機械的に操作する関係から、手動型起動レバー１８１を押し下げるためにはある程度の力が必要であるものの、過度に大きな力を必要とする訳ではない。したがって、手動型起動レバー１８１を押し下げる操作は極めて容易である。

図４は、通常発電時における補機制御フローを示すフローチャートである。この図４に示すように、通常発電時における補機制御は、図３に示した発電・補機制御開始時の補機制御を通常発電時にそのまま維持する制御であり、図４中の各ステップＳ１２４１〜Ｓ１２４５は、図３中の各ステップＳ１１４１〜Ｓ１１４５に順次対応している。

すなわち、通常発電時には、汎用Ｄ／Ｄコンバータ１２０からの電圧出力（Ｓ１２４１）が、停止スイッチ１７５および温度ヒューズ５０を通じてＦＣ型燃料遮断弁３２、主回路切替器１７１に印加されることで、ＦＣ型燃料遮断弁３２が開状態に電気的に保持されると同時に、主回路切替器１７１が主回路切替状態に電気的に保持される（Ｓ１２４２）。

また、汎用Ｄ／Ｄコンバータ１２０からの電圧は、電流電圧変換器１７３により電圧変換され（Ｓ１２４３）、電圧増幅器１７４により電圧増幅される（Ｓ１２４４）、電圧変換・増幅された電圧により、空気ブロア４１の回転数とアノードオフガス放出ダンパ１３１の開度の操作制御が行われる（Ｓ１２４５）。

なお、このような、電圧変換・増幅された電圧による空気ブロア４１とアノードオフガス放出ダンパ１３１の操作制御は、いわゆるフィードバック制御ではなく、単なるオープン制御であるため、単純でありながら高速追従が可能で、早い負荷変化を実現するものである。

図５は、通常発電状態からのシステム停止用の操作制御フローを示すフローチャートである。この図５に示すように、通常発電状態から燃料電池発電システムを停止する場合には、まず、ユーザにより停止スイッチ１７５が押し下げられ、開となる押し下げ位置に保持される（Ｓ１３１０）。

このように停止スイッチ１７５が開となることにより、電気的に直列接続されているＦＣ型燃料遮断弁３２と主回路切替器１７１が次のように動作する（Ｓ１３２０）。すなわち、停止スイッチ１７５が開となり、電源がＯＦＦとなることにより、ＦＣ型燃料遮断弁３２が閉となり、燃料電池アノード極１１への水素燃料供給が停止する（Ｓ１３２１）と同時に、主回路切替器１７１が主回路側からダミー負荷側へ切り替えられ、ダミー切替状態に復帰する（Ｓ１３２２）。

また、主回路切替器１７１がダミー切替状態に復帰する結果、燃料電池本体１０から汎用Ｄ／Ｄコンバータ１７１への電力供給も停止されるため、汎用Ｄ／Ｄコンバータ１７１が停止する（Ｓ１３３０）。その結果、汎用Ｄ／Ｄコンバータ１７１からの電圧出力が停止することにより、空気ブロア４１が停止して燃料電池カソード極１２への空気供給が停止すると同時に、アノードオフガス放出ダンパ１３１も停止する（Ｓ１３４０）。そして、このように、各補機が閉状態または停止状態となった時点では、燃料電池本体１０への水素燃料および空気の供給が停止することにより、燃料電池本体１０も停止する（Ｓ１３５０）。

この時点で、ユーザが停止スイッチ１７５を解放して、停止スイッチ１７５を閉としても（Ｓ１３６０）、システムが起動することはなく、システム停止状態となる。なお、図５に示すようなシステム停止用の操作制御フローは、図２に示したシステム起動用の操作制御フローと同様に、極めて短時間で完了するため、ユーザが停止スイッチ１７５を押し下げて保持する時間は、一瞬（通常は、秒単位以下）であり、システムは迅速に停止する。

なお、通常発電中に異常が発生してシステム内部が高温となった場合には、温度ヒューズ５０がＯＦＦすることで、停止スイッチ１７５の操作時と同様の作用によりシステムが迅速に停止する。

［効果］
以上のような第１の実施形態に係る燃料電池発電システムによれば、燃料電池本体１０の直流電流を、抵抗を利用した電流電圧変換器１７３で電圧変換し、変換された電圧を電圧増幅器１７４で増幅して空気ブロア４１やアノードオフガス放出ダンパ１３１等の補機の出力を調節することにより、制御装置７０を使用せずに、補機を操作制御することができる。

その結果、多数の補機を制御装置７０に接続した場合に比べて、抵抗や増幅器等の単純な部品を使用した簡素な構成の操作制御系統１７０を実現すると共に、補機のより柔軟な操作制御を実現できるため、システム全体の構成を簡素化してかつ使用するＤ／Ｄコンバータ等の電気出力用機器の自由度を高めることができる。また、システム各部からの信号を制御装置７０に入力してフィードバック制御を行う場合に比べて、単なるオープン制御であるため、単純でありながら高速追従が可能で、早い負荷変化を実現することができる。

したがって、本実施形態によれば、部品数が少なく、単純・高信頼で、かつ高速負荷追従に対応可能で、組み合わせる電気出力用機器（Ｄ／Ｄコンバータ、インバータ等）の自由度の高いシステムを実現可能である。また、バッテリや水系等の高頻度な保守が必要な箇所がないため、保守性にも優れており、商用機として理想的なシステムとなる。

［第２の実施形態］
図６は、本発明を適用した第２の実施形態に係る水素燃料利用型の燃料電池発電システムの構成を示すブロック図である。

この図６に示す燃料電池発電システムは、図１に示した第１の実施形態に係る燃料電池発電システムの構成の一部を変更したものである。すなわち、復帰バネ付き手動型起動レバー１８１に加えて、燃料電池カソード極１２にユーザの息を吹き込むための逆止弁付き起動用空気吹込口２８１を設けて起動部２８０を構成している。これに伴い、復帰バネ付き手動型起動レバー１８１は、空気ブロア４１の回転軸とは連動させず、燃料バイパス手動弁１３２、主回路切替器１７１のみと連動させている。

また、燃料系統１３０の減圧弁３１とＦＣ型燃料遮断弁３２の間に、水素燃料の断熱膨張作用により発生する冷熱を放出する冷熱放出熱交換器２６０を設けている。この冷熱放出熱交換器２６０は、パッケージ１００内における空気の流れの上流部分に配置されている。なお、他の部分の構成は、第１の実施形態と同様である。

図７は、上記のような構成を有する第２の実施形態に係る燃料電池発電システムの作用として、システム起動用の操作制御フローを示すフローチャートである。この図７に示すように、システム停止状態から燃料電池発電システムを起動する場合には、まず、ユーザにより手動型起動レバー１８１が押し下げられ、押下位置に保持されると同時に、起動用空気吹込口２８１から息の吹き込みが行われる（Ｓ２１１０）。

このような手動型起動レバー１８１の操作と息の吹き込みにより、燃料電池本体１０への水素燃料・空気供給が開始すると共に、主回路切替動作が行われる（Ｓ２１２０）。この場合、燃料バイパス手動弁１３２が開となり、バイパスラインを通じて燃料電池アノード極１１に水素燃料供給が供給される（Ｓ２１２１）と同時に、主回路切替器１７１がダミー負荷側から主回路側に切り替えられ、一時的に強制主回路切替状態となる（Ｓ２１２２）。また、吹き込まれた息は、酸化剤として理想的な高湿度の空気として燃料電池カソード極１２に供給される（Ｓ２１２３）。

このような、燃料電池本体１０への水素燃料・空気供給開始、および主回路切替動作（Ｓ２１２０）以降のフロー（Ｓ２１３０〜Ｓ２１６０）は、図２に示した第１の実施形態の対応するフロー（Ｓ１１３０〜Ｓ１１６０）と同様である。すなわち、燃料電池本体１０の電圧が上昇して（Ｓ２１３０）、汎用Ｄ／Ｄコンバータ１２０が起動し、発電・補機制御が開始され、起動完了状態となり（Ｓ２１４０）、さらに、手動型起動レバー１８１の解放（Ｓ２１５０）により、燃料バイパス手動弁１３２が閉となり、主回路切替器１７１の機械的な強制主回路切替状態が解除された（Ｓ２１６０）後、システムは通常発電状態となる。

以上のような第２の実施形態に係る燃料電池発電システムによれば、前述した第１の実施形態と同様の効果が得られることに加えて、さらに、ユーザの息の吹き込みを利用して理想的な空気の供給を可能にしているため、手動型起動レバー１８１を空気ブロア４１に連動させない分だけ、起動部２８０の構成を簡略化できるという効果が得られる。本実施形態においては、ユーザは、起動レバーの押し下げと息の吹き込みの両方を行う必要があるが、アウトドアレジャー用等の独立電源においては、起動に多少手間のかかる操作が必要であっても、それは操作性が低いというよりはむしろレジャーの一部と見なされて好まれる傾向にあるため、必ずしも欠点とはならない。それどころか、防災用の独立電源においては、ユーザの操作だけで起動できることは大きな利点となる。

また、この第２の実施形態に係る燃料電池発電システムにおいては、第１の実施形態と同様に、酸化剤系統４０による空気の供給を利用してパッケージ１００の換気および燃料電池本体１０の冷却を行うことを想定しているが、さらに、この構成に加えて、空気の流れの上流部分に冷熱放出熱交換器２６０を設けることで、燃料電池本体１０をより効率よく冷却することができる。

［第３の実施形態］
図８は、本発明を適用した第３の実施形態に係る水素燃料利用型の燃料電池発電システムの構成を示すブロック図である。

この図８に示す燃料電池発電システムは、図１に示した第１の実施形態に係る燃料電池発電システムの構成の一部を変更したものである。すなわち、復帰バネ付き手動型起動レバー１８１に代えて、燃料バイパス手動弁１３２、主回路切替器１７１、および空気ブロア４１の回転軸と機械的に連動する電力駆動型起動装置３８１を設けると共に、パッケージ１００外部に搭載した乾電池３０１からの電気エネルギーをこの電力駆動型起動装置３８１に対して供給するための起動ボタン３８２を設けて、起動部３８０を構成している。なお、他の部分の構成は、第１の実施形態と同様である。

図９は、上記のような構成を有する第３の実施形態に係る燃料電池発電システムの作用として、システム起動用の操作制御フローを示すフローチャートである。この図９に示すように、システム停止状態から燃料電池発電システムを起動する場合には、まず、ユーザにより起動ボタン３８２が押し下げられ、押下位置に保持される（Ｓ３１１０）。

このような起動ボタン３８２の操作により、乾電池３０１からの電気エネルギーが電力駆動型起動装置３８１に供給されて電力駆動型起動装置３８１が動作し、燃料電池本体１０への水素燃料・空気供給が開始すると共に、主回路切替動作が行われる（Ｓ３１２０）。この場合、電力駆動型起動装置３８１と連動する燃料バイパス手動弁１３２、主回路切替器１７１、空気ブロア４１の動作（Ｓ３１２１〜Ｓ３１２３）は、図２に示した第１の実施形態におけるこれらの補機の動作（Ｓ１１２１〜Ｓ１１２３）と同様である。そして、この動作（Ｓ３１２０）以降のフロー（Ｓ３１３０〜Ｓ３１６０）もまた、第１の実施形態の対応するフロー（Ｓ１１３０〜Ｓ１１６０）と同様である。

以上のような第３の実施形態に係る燃料電池発電システムによれば、前述した第１の実施形態と同様の効果が得られることに加えて、さらに、手動型起動レバー１８１に代えて、乾電池３０１の電気エネルギーを利用してシステムの起動を行うことができるため、手動型起動レバー１８１を操作する場合に比べて、機械的な操作力が不要となる分だけ、システム起動時の操作性がより高くなっている。

このような本実施形態のシステムは、特に、業務用として使用する場合など、操作性の高さが要求される場合の独立電源として好適である。なお、起動回数に応じて、定期的な乾電池の交換が必要であることから、この点では、第１、第２の実施形態に比べて多少保守性が低下するものの、乾電池の電力消費は、起動時の極めて短時間に限定されることから、乾電池の交換周期を長くすることができる。したがって、業務用の分野における商品価値は第１、第２の実施形態に比べてむしろ高くなる。

［第４の実施形態］
図１０は、本発明を適用した第４の実施形態に係る水素燃料利用型の燃料電池発電システムの構成を示すブロック図である。

この図１０に示す燃料電池発電システムは、図８に示した第３の実施形態に係る燃料電池発電システムの構成の一部を変更したものである。すなわち、乾電池３０１に代えて、水素ボンベ１０１からの水素燃料の圧力エネルギーを電気エネルギーに変換する小型のタービン４８１をパッケージ１００内に設けて起動部４８０を構成し、タービン４８１から電力駆動型起動装置３８１に電気エネルギーを供給するようにしたものである。なお、他の部分の構成は、第３の実施形態と同様である。

図１１は、上記のような構成を有する第４の実施形態に係る燃料電池発電システムの作用として、システム起動用の操作制御フローを示すフローチャートである。この図１１に示すように、システム停止状態から燃料電池発電システムを起動する場合には、まず、ユーザにより起動ボタン３８２が押し下げられ、押下位置に保持される（Ｓ４１１０）。

このような起動ボタン３８２の操作により、水素ボンベ１０１からの水素燃料の圧力エネルギーがタービン４８１で電気エネルギーに変換され、この電気エネルギーが電力駆動型起動装置３８１に供給されて電力駆動型起動装置３８１が動作し、燃料電池本体１０への水素燃料・空気供給が開始すると共に、主回路切替動作が行われる（Ｓ４１２０）。

この場合、電力駆動型起動装置３８１と連動する燃料バイパス手動弁１３２、主回路切替器１７１、空気ブロア４１の動作（Ｓ４１２１〜Ｓ４１２３）は、図２に示した第１の実施形態、および図９に示した第３の実施形態におけるこれらの補機の動作（Ｓ１１２１〜Ｓ１１２３）、（Ｓ３１２１〜Ｓ３１２３）と同様である。そして、この動作（Ｓ４１２０）以降のフロー（Ｓ４１３０〜Ｓ４１６０）もまた、第１、第３の実施形態の対応するフロー（Ｓ１１３０〜Ｓ１１６０）、（Ｓ３１３０〜Ｓ３１６０）と同様である。

以上のような第４の実施形態に係る燃料電池発電システムによれば、前述した第３の実施形態と同様の効果が得られることに加えて、さらに、乾電池３０１に代えて、水素ボンベ１０１からの水素燃料の圧力エネルギーを利用してシステムの起動を行うことができるため、乾電池３０１を使用する場合に比べて、定期的な乾電池の交換等の保守が不要となる分だけ、保守性が高くなっている。

なお、水素ボンベ１０１からの水素燃料の圧力エネルギーを利用する方式は自由に選択可能であるが、例えば、ターボコンプレッサ等により水素の圧力を機械的に利用して、燃料バイパス手動弁１３２、主回路切替器１７１、空気ブロア４１等を連動させることが考えられる。

［他の実施形態］
なお、本発明は、前述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲内で他にも多種多様な変形例が実施可能である。例えば、燃料電池本体で発生した電気から電気出力を取り出す電気出力用機器は、Ｄ／Ｄコンバータに限らず、インバータ（Ｄ／Ａコンバータ）等を使用した場合にも、同様の効果が得られるものである。

また、本発明は、前述した通り、水素燃料利用型の燃料電池発電システムとして好適であるが、それに限らず、他のタイプの燃料電池発電システムにも適用可能であり、同様に優れた効果が得られるものである。

本発明を適用した第１の実施形態に係る水素燃料利用型の燃料電池発電システムの構成を示すブロック図。 図１に示す燃料電池発電システムのシステム起動用の操作制御フローを示すフローチャート。 図２に示す発電・補機制御開始時の制御フローを示すフローチャート。 図１に示す燃料電池発電システムの通常発電時における補機制御フローを示すフローチャート。 図１に示す燃料電池発電システムの通常発電状態からのシステム停止用の操作制御フローを示すフローチャート。 本発明を適用した第２の実施形態に係る水素燃料利用型の燃料電池発電システムの構成を示すブロック図。 図６に示す燃料電池発電システムのシステム起動用の操作制御フローを示すフローチャート。 本発明を適用した第３の実施形態に係る水素燃料利用型の燃料電池発電システムの構成を示すブロック図。 図８に示す燃料電池発電システムのシステム起動用の操作制御フローを示すフローチャート。 本発明を適用した第４の実施形態に係る水素燃料利用型の燃料電池発電システムの構成を示すブロック図。 図１０に示す燃料電池発電システムのシステム起動用の操作制御フローを示すフローチャート。 従来の典型的な水素燃料利用型の燃料電池発電システムの構成を示すブロック図。

符号の説明

１０…燃料電池本体
１１…燃料電池アノード極
１２…燃料電池カソード極
３１…減圧弁
３２…ＦＣ型燃料遮断弁
３４…排気口
４０…酸化剤系統
４１…空気ブロア
４２…自己加湿器
５０…温度ヒューズ
１００…パッケージ
１０１…水素ボンベ
１２０…汎用Ｄ／Ｄコンバータ
１３０…燃料系統
１３１…ミニマム開度付きアノードオフガス放出ダンパ
１３２…燃料バイパス手動弁
１７０…操作制御系統
１７１…主回路切替器
１７２…ダミー負荷
１７３…電流電圧変換器
１７４…電圧増幅器
１７５…停止スイッチ
１８０，２８０，３８０，４８０…起動部
１８１…復帰バネ付き手動型起動レバー
２６０…冷熱放出熱交換器
２８１…逆止弁付き起動用空気吹込口
３０１…乾電池
３８１…電力駆動型起動装置
３８２…起動ボタン
４８１…タービン

Claims (15)

1. 燃料の有する化学エネルギーを直接電気に変換する燃料電池本体と、燃料電池本体で発生した電気から電気出力を取り出す電気出力用機器、燃料電池本体に燃料と酸化剤をそれぞれ供給する燃料供給用機器および酸化剤供給用機器、を含む複数の補機が、パッケージ内に一体化された燃料電池発電システムにおいて、
   前記燃料電池本体の直流電流を抵抗で電圧変換する電圧変換手段と、
   前記電圧変換された電圧値に基づいて、前記複数の補機の一部または全部の出力を調節する出力調節手段、
   を備えたことを特徴とする燃料電池発電システム。
2. 前記酸化剤供給用機器の１つとして設けられ、前記燃料電池本体のカソード極の入口から前記酸化剤を供給する電力駆動型の酸化剤供給用機器、
   前記補機の一つとして設けられ、前記燃料電池本体を冷却する電力駆動型の電池冷却用機器、
   前記補機の一つとして設けられ、前記パッケージを換気する電力駆動型のパッケージ換気用機器、
   という３つの電力駆動型の機器から選択された１つ以上の機器を調節対象機器として備え、
   前記出力調節用機器は、前記調節対象機器の出力を調節するように構成されている、
   ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池発電システム。
3. 前記酸化剤供給用機器、前記電池冷却用機器、および前記パッケージ換気用機器、という３つの機器から選択された２つ以上の機器の一部または全部が一体化された複合型の調節対象機器を備え、
   前記出力調整手段は、前記複合型の調節対象機器の出力を調節するように構成されている、
   ことを特徴とする請求項２に記載の燃料電池発電システム。
4. 前記燃料供給用機器の一つとして設けられ、前記燃料電池本体のアノード極の出口から放出する前記燃料の量を調節する電力駆動型の燃料放出用ダンパを備え、
   前記出力調節手段は、前記燃料放出用ダンパの出力を調節するように構成されている、
   ことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の燃料電池発電システム。
5. 前記燃料放出用ダンパは、電圧印加により歪む要素を含む、
   ことを特徴とする請求項４に記載の燃料電池発電システム。
6. 前記燃料供給用機器の一つとして設けられ、前記燃料電池本体のアノード極の入口から前記燃料を供給する電力駆動型の燃料供給用機器と、
   前記電気出力用機器から前記燃料供給用機器に対して駆動用の電力供給を行う電源回路と、
   前記電源回路の途中に設けられ、異常発生時に当該電源回路を切断する安全装置、
   を備えたことを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の燃料電池発電システム。
7. 前記燃料供給用機器の一つとして設けられ、前記燃料電池本体のアノード極の入口から前記燃料を供給する電力駆動型の燃料供給用機器と、
   前記酸化剤供給用機器の一つとして設けられ、前記燃料電池本体のカソード極の入口から前記酸化剤を供給する電力駆動型の酸化剤供給用機器、
   という２つの機器から選択された１つ以上の機器を駆動対象機器として備えると共に、
   システム起動時に前記駆動対象機器を一時的に起動する起動手段と、
   前記燃料電池本体の発電開始後に前記電気出力用機器から前記駆動対象機器に対して電力供給を行う電源回路を備えた、
   ことを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれかに記載の燃料電池発電システム。
8. 前記起動手段は、
   システム起動時に前記駆動対象機器に対して一時的に電力供給を行う蓄電型起動手段、
   システム起動時に前記燃料の有する圧力エネルギーを利用して前記駆動対象機器を一時的に起動する圧力利用型起動手段、
   システム起動時におけるユーザの操作を利用して前記駆動対象機器を一時的に起動するユーザ操作型起動手段、
   から選択された１つ以上の手段を含む、
   ことを特徴とする請求項７に記載の燃料電池発電システム。
9. 前記ユーザ操作型起動手段は、前記酸化剤供給用機器により構成される酸化剤系統に設けられ、システム起動時にユーザによる息の吹き込みを可能にする空気吹込口を含む、
   ことを特徴とする請求項８に記載の燃料電池発電システム。
10. 前記駆動対象機器は、前記燃料供給用機器として、電力供給遮断時に閉となるフェイルクローズ型の燃料遮断弁と、この燃料遮断弁をバイパスする起動用弁付きバイパスラインを含み、
    前記起動手段は、システム起動時に前記起動用弁を一時的に開として前記バイパスラインを通じて前記燃料を前記燃料電池本体に一時的に供給するように構成され、
    前記電源回路は、前記燃料電池本体の発電開始後に前記燃料遮断弁を開に維持して前記燃料電池本体への前記燃料の供給を維持するように構成されている、
    ことを特徴とする請求項７乃至請求項９のいずれかに記載の燃料電池発電システム。
11. 前記駆動対象機器は、前記酸化剤供給用機器として、回転軸を備えたブロアを含み、
    前記起動手段は、システム起動時に前記ブロアを一時的に起動して前記酸化剤を前記燃料電池本体に一時的に供給するように構成され、
    前記電源回路は、前記燃料電池本体の発電開始後に前記ブロアの駆動を維持して前記燃料電池本体への前記酸化剤の供給を維持するように構成されている、
    ことを特徴とする請求項７乃至請求項１０のいずれかに記載の燃料電池発電システム。
12. 前記電気出力用機器の一つとして設けられ、前記燃料電池本体で発生した電気を制御して電気出力を得るコンバータと、
    システム停止時に前記燃料電池本体の前記アノード極と前記カソード極を短絡するダミー負荷と、
    前記燃料電池本体の接続先を前記ダミー負荷と前記コンバータとの間で切り替える主回路切替器を備え、
    前記駆動対象手段は、前記主回路切替手段を含み、
    前記起動手段は、システム起動時に前記主回路切替器を一時的に起動して前記燃料電池本体の接続先を前記ダミー負荷から前記コンバータに切り替えるように構成され、
    前記電源回路は、前記燃料電池本体の発電開始後に前記主回路切替器の切替状態を維持して前記燃料電池本体の接続先を前記コンバータに維持するように構成されている、
    ことを特徴とする請求項７乃至請求項１１のいずれかに記載の燃料電池発電システム。
13. 前記起動手段は、システム起動時に複数の前記駆動対象機器を機械的に連動させて起動するように構成されている、
    ことを特徴とする請求項７乃至請求項１２のいずれかに記載の燃料電池発電システム。
14. 前記燃料電池本体に供給される前記燃料は、圧縮された圧縮水素燃料として与えられ、
    前記補機の一つとして設けられ、前記燃料供給用機器で前記圧縮水素燃料が減圧される際の断熱膨張効果により生じる冷熱を利用して前記燃料電池本体を冷却する電池冷却用機器を備えた、
    ことを特徴とする請求項１乃至請求項１３のいずれかに記載の燃料電池発電システム。
15. 燃料の有する化学エネルギーを直接電気に変換する燃料電池本体と、燃料電池本体で発生した電気から電気出力を取り出す電気出力用機器、燃料電池本体に燃料と酸化剤をそれぞれ供給する燃料供給用機器および酸化剤供給用機器、を含む複数の補機が、パッケージ内に一体化された燃料電池発電システムの操作制御方法において、
    前記燃料電池本体の直流電流を抵抗で電圧変換するステップと、
    前記電圧変換された電圧値に基づいて、前記複数の補機の一部または全部の出力を調節する出力調節ステップ、
    を有することを特徴とする燃料電池発電システムの操作制御方法。

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