JP2011154926A - 燃料電池システム - Google Patents
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Abstract
【解決手段】燃料電池システムは、燃料電池スタック1と、燃料電池スタック1の出力電圧を安定化するための直流‐直流変換器または直流‐交流変換器を含む出力回路2とを備える。そして、出力回路2の入力電圧を所定値以下とするための電圧制御回路3を設ける。出力回路2の入力端子21に電圧制御回路3を接続することで、燃料電池スタック1の電圧が所定値よりも大きい場合、その電流は電圧制御回路3に流れ、出力回路2の入力電圧は所定値以下となる。
【選択図】 図1
Description
図1は、本発明の第1の実施形態に係る燃料電池システムの構成例を示す概略図である。このシステムにおける燃料電池スタック1は、例えば、酸化剤としての空気と、還元剤としてのアルコール水溶液等の液体燃料とを直接接触させて発電する直接メタノール形燃料電池(DMFC)である。直接メタノール形燃料電池の場合、燃料電池スタック1には熱交換器、水タンク、燃料タンク、循環タンクなどが各種ポンプ(水ポンプ、燃料ポンプ、循環ポンプ)などの補機5を介して接続され、系内をアルコール水溶液が循環している。なお、本実施形態では、特に燃料電池システムについて説明しているが、本発明は出力電圧を安定化させるための回路に関する発明であり、電源(電池スタック)の種類は特に限定されない。固体高分子形燃料電池(Polymer Electrolyte Fuel Cell)、固体酸化物形燃料電池(Solid Oxide Fuel Cell)やその他の直接形燃料電池(DFC, Direct Fuel Cell)等様々な燃料電池が使用できることはもちろん、負荷電流によって出力電圧が決定される電源であれば、燃料電池以外の電池(例えば太陽電池)などにも適用できるであろう。
入力電圧(スタック電圧):DC+12V〜+24V
出力電圧:DC+12V
よい。このように、蓄電池6の電力を負荷4へも供給可能に構成しておくことによって、余剰電力を無駄なく利用できる。
図2は、本発明の第2の実施形態に係る燃料電池システムの構成例を示す概略図である。図2では、2つの蓄電池を用いた電圧制御回路を説明する。燃料電池スタック1、出力回路2、外部負荷4、補機5及び蓄電池6は、第1の実施形態と同様の構成である。
図3は、本発明の第3の実施形態に係る燃料電池システムの構成例を示す概略図である。図3では、複数の逆流防止素子を用いて電圧制御回路を構成した例について説明する。燃料電池スタック1、出力回路2、外部負荷4、補機5及び蓄電池6は第1、第2の実施形態と同様の構成である。電圧制御回路3は、簡単、省スペース、低コストな定電圧回路として、複数の逆流防止素子3fを順方向に直列に接続して構成される。電圧制御回路3の出力端子は、外部負荷4、補機5及び第1の蓄電池6に接続されている。
本発明に係る燃料電池システムの出力特性を評価するために、第3の実施形態と同様の構成で下記の実験例を実施した。
1.システム構成の概略
(1)燃料電池スタック1は、単位電池を39セルで構成する。
(2)外部負荷4は、12Vの直流で使用する機器で構成する。
(3)出力回路2は、12V以上24V以下の直流電圧を12Vの直流電圧に変換する直流−直流変換器を用いる。この変換器の許容電圧の範囲は、12V以上24V以下である。
(4)電圧制御回路3は、16個のダイオードを直列に接続して構成する。
(5)蓄電池6は、14Vで充電される蓄電池で構成する。
(6)補機5は、必要な電流を(容量)2Aとするポンプ等の機器で構成する。
(1)外部負荷4の負荷を0%、25%、50%、75%、100%の順に変動させ、燃料電池スタック1の電流[A]と燃料電池スタック1の電圧[V]との関係を調べる。
(2)外部負荷4の負荷を急激に100%から0%に変動させ、燃料電池スタック1の電流[A]及び燃料電池スタック1の電圧[V]と時間との関係を調べる。なお、比較のために、第3の実施形態から電圧制御回路3を除き、燃料スタック1と並列に燃料電池スタックを接続し、機械的スイッチにより各燃料電池スタックの切り換えを行う燃料電池システムの構成(以下、「従来の燃料電池システムの構成」という。)で、外部負荷4の負荷を急激に100%から0%に変動させ、燃料電池スタック1の電圧[V]と時間との関係も調べる。
図4は、実験に用いた燃料電池スタックの出力特性を表す図であり、2.実験(1)の結果を表している。燃料電池スタック1の出力特性として、外部負荷0%時の出力特性L1の電流値は2Aであり、その電圧値は約23Vであることがわかる。また、外部負荷100%時の出力特性L5の電流値は10Aであり、その電圧値は約12Vであることがわかる。外部負荷4の負荷が0%から100%、つまり、燃料電池スタックの出力特性をL1からL5までを段階的に見ると、燃料電池スタック1の電流値の増加に伴って燃料電池スタック1の電圧値が減少していることがわかる。また、外部負荷4の負荷が0%から100%に変動しても、燃料電池スタック1の電圧値は、出力回路2の入力許容電圧Rの範囲内、つまり、12V以上24V以下にあることがわかる。
本実験に用いた燃料電池スタック1の電圧は、図4より、負荷を段階的に0%から100%に変動させた場合、出力回路2の入力許容電圧Rの範囲内、つまり、12V以上24V以下であることがわかった。また、負荷を急激に100%から0%に変動させると、図5より、並列運転による従来の燃料電池システムでは、燃料電池スタック1の出力電圧は、出力回路2の入力許容電圧Rの範囲外、つまり、24Vより大きくなるが、第3の実施形態と同様の構成では、燃料電池スタック1の出力電圧は、出力回路2の入力許容電圧Rの範囲内、つまり、24V以下に抑えられることが確認された。
2 出力回路(直流−直流変換器)
3 電圧制御回路
3a 逆流防止素子
3b 第2の蓄電池
3c 負荷(放電器)
3e スイッチ
3f 逆流防止素子
4 外部負荷
5 補機
6 (第1の)蓄電池
11 燃料電池スタックの出力端子
21 出力回路の入力端子
22 出力回路の出力端子
31 電圧制御回路の入力端子
32 電圧制御回路の出力端子
R 出力回路(直流−直流交換器)の入力許容電圧
L1 外部負荷0%時の燃料電池スタックの出力特性
L2 外部負荷25%時の燃料電池スタックの出力特性
L3 外部負荷50%時の燃料電池スタックの出力特性
L4 外部負荷75%時の燃料電池スタックの出力特性
L5 外部負荷100%時の燃料電池スタックの出力特性
V2 第3の実施形態による燃料電池スタックの出力電圧
V3 従来の燃料電池システムの構成による燃料電池スタックの出力電圧
I 第3の実施形態による燃料電池スタックの電流
P 急激な負荷変動による電圧の一時的に上昇した領域
Claims (6)
- 燃料電池スタック(1)と、直流‐直流変換器または直流‐交流変換器を含む出力回路(2)とを備えた燃料電池システムにおいて、
前記直流−直流または前記直流‐交流変換器への入力電圧を所定値以下とするための電圧制御回路(3)を設けたことを特徴とする燃料電池システム。 - 請求項1に記載の燃料電池システムにおいて、
前記電圧制御回路(3)は、前記燃料電池スタック(1)の出力電圧が所定値を超えたときに前記燃料電池スタック(1)を放電させる機能を備えていることを特徴とする燃料電池システム。 - 請求項1または請求項2に記載の燃料電池システムにおいて、
前記電圧制御回路(3)は、第1の逆流防止素子(3a)と、第1の蓄電池(3b)とを備え、前記第1の逆流防止素子(3a)と前記第1の蓄電池(3b)とは直列に接続されていることを特徴とする燃料電池システム。 - 請求項3に記載の燃料電池システムにおいて、
さらに第2の蓄電池(6)を備え、前記出力回路(2)の入力端子(21)に前記第1の逆流防止素子(3a)と、前記第2の蓄電池(6)から独立した前記第2の蓄電池(6)よりも出力開放電圧が高電圧である前記第1の蓄電池(3b)とが接続され、
前記第1の逆流防止素子(3a)の順方向降下電圧を利用した前記第1の蓄電池(3b)への充電回路が構成されていることを特徴とする燃料電池システム。 - 請求項1または請求項2に記載の燃料電池システムにおいて、
さらに第2の蓄電池(6)を備え、前記電圧制御回路(3)は、第2の逆流防止素子(3f)を備え、前記出力回路(2)の入力端子(21)に前記第2の逆流防止素子(3f)と、前記第2の蓄電池(6)とを接続し、前記第2の逆流防止素子(3f)の順方向降下電圧を利用した前記第2の蓄電池(6)への充電回路が構成されていることを特徴とする燃料電池システム。 - 請求項3乃至請求項5のいずれか1項に記載の燃料電池システムにおいて、
前記逆流防止素子(3a、3f)はダイオードであることを特徴とする燃料電池システム。
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