JP2016170999A - 発電装置及び発電装置の制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】複数の燃料電池の間の温度を広がりにくくする。【解決手段】第１端子２００は、複数の発電部１００の正極が接続されている。第２端子２０２は、複数の発電部１００の負極が接続されている。抵抗変化部１２０は、複数の発電部１００のそれぞれに対して設けられており、第１端子２００と発電部１００の間の抵抗値及び第２端子２０２と発電部１００の間の抵抗値の少なくとも一方を変化させる。温度センサ１０２（状態検出部）は、複数の発電部１００のそれぞれに対して設けられている。温度センサ１０２は、発電部１００の温度（状態の一例）を検出する。制御部１４０は、複数の温度センサ１０２のそれぞれが検出した複数の発電部１００それぞれの状態（例えば温度）に基づいて、複数の抵抗変化部１２０を制御する。【選択図】図１

Description

本発明は、発電装置及び発電装置の制御方法に関する。

燃料電池は、水素と空気中の酸素を反応させて水を生成する際に発生するエネルギーを電気エネルギーとして取り出すものである。燃料電池を用いた発電装置では、所望する出力電流を得るために、特許文献１に記載されているように、複数の燃料電池セルを直列又は並列に接続する場合が多い。また特許文献１には、複数の燃料電池セルを備えたモジュールの内部において温度分布が生じることを抑制するために、均熱板をモジュールの内部に配置することが記載されている。

特開２００９−２２４１４３号公報

燃料電池の発電部は、水素と空気中の酸素を反応させるセルと、セルを複数積層したセルスタックから成る。燃料電池におけるセル性能は温度に大きく依存するため、複数の燃料電池の間で温度に差が生じると、相対的に温度が高い燃料電池セルスタックの性能が高まり、電流が集中するためその燃料電池セルスタックの温度がさらに高くなる。このため、燃料電池の間の温度の差は広がりやすかった。この場合、相対的に高温の燃料電池セルスタックが劣化する可能性が出てくる。モジュールの内部に均熱板を設けても、この問題を十分に抑制することは難しい。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、複数の燃料電池セルスタックを備えた発電装置において、燃料電池セルスタックの間の温度の差が広がりにくくすることにある。

本発明に係る発電装置は、複数の発電部、第１端子、第２端子、抵抗変化部、状態検出部、及び制御部を有している。複数の発電部のそれぞれは、燃料電池を有している。第１端子には複数の発電部の正極が接続されており、第２端子には複数の発電部の負極が接続されている。抵抗変化部は複数の発電部それぞれに対して設けられており、当該発電部と第１端子の間の抵抗値及び当該発電部と第２端子の間の抵抗値の少なくとも一方を変化させる。状態検出部は、複数の発電部それぞれの状態を検出する。制御部は、状態検出部が検出した状態に基づいて複数の抵抗変化部を制御する。

本発明によれば、複数の燃料電池の間の温度を広がりにくくすることができる。

第１の実施形態に係る発電装置の構成を示す図である。 抵抗変化部の構成の一例を示す図である。 制御部による制御の一例を示すフローチャートである。 第２の実施形態に係る発電装置の構成を示す図である。 図４に示した発電装置における、制御部の動作の一例を示すフローチャートである。

以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。尚、すべての図面において、同様な構成要素には同様の符号を付し、適宜説明を省略する。

また、以下に示す説明において、制御部１４０は、ハードウエア単位の構成ではなく、機能単位のブロックを示している。制御部１４０は、任意のコンピュータのＣＰＵ、メモリ、メモリにロードされた本図の構成要素を実現するプログラム、そのプログラムを格納するハードディスクなどの記憶メディア、ネットワーク接続用インタフェースを中心にハードウエアとソフトウエアの任意の組合せによって実現される。そして、その実現方法、装置には様々な変形例がある。

（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態に係る発電装置１０の構成を示す図である。本実施形態に係る発電装置１０は、複数の発電部１００（例えば燃料電池セル）、第１端子２００、第２端子２０２、複数の抵抗変化部１２０、複数の温度センサ１０２（状態検出部）、及び制御部１４０を備えている。複数の発電部１００は、それぞれ燃料電池を有している。第１端子２００は、複数の発電部１００の正極が接続されている。第２端子２０２は、複数の発電部１００の負極が接続されている。言い換えると、複数の発電部１００は、第１端子２００と第２端子２０２において、互いに並列になっている。抵抗変化部１２０は、複数の発電部１００のそれぞれに対して設けられており、第１端子２００と発電部１００の間の抵抗値及び第２端子２０２と発電部１００の間の抵抗値の少なくとも一方を変化させる。本図に示す例では、抵抗変化部１２０は、第１端子２００と発電部１００の間の抵抗値を変化させる。温度センサ１０２は状態検出部の一例であり、複数の発電部１００のそれぞれに対して設けられている。温度センサ１０２は、発電部１００の温度（状態の一例）を検出する。制御部１４０は、複数の温度センサ１０２のそれぞれが検出した複数の発電部１００それぞれの状態（本実施形態では温度）に基づいて、複数の抵抗変化部１２０を制御する。以下、詳細に説明する。

発電部１００は、少なくとも一つの燃料電池を有している。燃料電池は、燃料極と空気極の間に、電解質層を配置した構成を有している。電解質層は、例えば固体電解質層である。燃料極、空気極、及び電解質層の材料は特に限定されない。また、発電部１００は、所望する出力電圧を得るために、複数の燃料電池を直列に接続した構成（燃料電池スタック）を有していてもよい。発電部１００が発電する際、燃料電池の燃料極には改質ガスが供給され、空気極には空気が供給される。なお、燃料電池スタックにおいて、複数の燃料電池は互いに並列に接続されていてもよいし、燃料電池スタックの内部に均熱板が設けられていてもよい。複数の発電部１００は、物理的に異なるモジュール（例えば燃料電池スタック）になっていてもよいし、一つのモジュールの中に収容されていてもよい。

温度センサ１０２は、上記したように複数の発電部１００のそれぞれに対して設けられており、発電部１００の温度を検出する。温度センサ１０２の検出値は制御部１４０に送信される。

抵抗変化部１２０は第１端子２００と発電部１００の間に設けられており、第１端子２００と発電部１００を結ぶ配線の抵抗値を変化させる。抵抗変化部１２０によって設定される抵抗値は２段（例えば０と所定値）であってもよいし、０を含む多段であってもよい。なお、抵抗変化部１２０は、第２端子２０２と発電部１００の間に設けられていてもよい。この場合、抵抗変化部１２０は、第２端子２０２と発電部１００を結ぶ配線の抵抗値を変化させる。抵抗変化部１２０の構成の詳細については、後述する。

制御部１４０は、温度センサ１０２の検出値に基づいて抵抗変化部１２０を制御する。この制御の具体例については後述する。

図２は、抵抗変化部１２０の構成の一例を示す図である。本図に示す例において抵抗変化部１２０は、抵抗１２２及びスイッチ１２４を有している。抵抗１２２及びスイッチ１２４は互いに並列に接続されている。スイッチ１２４が閉じている場合、電流は抵抗１２２を通らないため、抵抗変化部１２０の抵抗値はほぼ０になる。一方、スイッチ１２４が開いている場合、電流はすべて抵抗１２２を通るため、抵抗変化部１２０の抵抗値は抵抗１２２の抵抗値になる。そして、制御部１４０はスイッチ１２４の開閉を制御する。なお、抵抗変化部１２０の構成は図２に示した例に限定されない。例えば抵抗変化部１２０は、可変抵抗器を有していてもよい。この場合、制御部１４０は可変抵抗器の抵抗値を制御する。

図３は、制御部１４０による制御の一例を示すフローチャートである。発電装置１０が発電し始めるとき、制御部１４０は、全ての抵抗変化部１２０の抵抗を最小値に設定する。図２に示す例の場合、制御部１４０は、全ての抵抗変化部１２０のスイッチ１２４を閉じておく。また、少なくとも発電装置１０が発電している間、制御部１４０は、繰り返し複数の温度センサ１０２の測定値（すなわち複数の発電部１００のそれぞれの温度）を確認する。

発電装置１０が発電し始める（ステップＳ１０）と、制御部１４０は、複数の温度センサ１０２の検出値に基づいて、複数の発電部１００のそれぞれの温度を管理する。そして、複数の発電部１００の動作が定常状態になり、かつ、いずれかの発電部１００において温度が基準値以上になる（ステップＳ２０）と、その発電部１００に接続している抵抗変化部１２０のスイッチ１２４を開く（ステップＳ３０）。これにより、その発電部１００と第１端子２００の間の抵抗が高くなり、その結果、その発電部１００から流れ出る電流は少なくなる。その結果、その発電部１００の温度が上昇することを抑制できる。

その後、制御部１４０は、スイッチ１２４が閉じられた発電部１００の温度が基準値以下に下がると、スイッチ１２４を閉じる。この時の基準値は、スイッチ１２４を閉じるときの基準値より低い。

なお、制御部１４０は、複数の温度センサ１０２から受信した測定値の最高値と最小値の差が基準以上になった時に、最高値を測定した温度センサ１０２に対応する抵抗変化部１２０のスイッチ１２４を開いてもよい。この場合、制御部１４０は、この差が基準以下になったときにスイッチ１２４を閉じる。この時の基準は、スイッチ１２４を開くときの基準より小さい値である。

以上、本実施形態によれば、制御部１４０は、複数の温度センサ１０２の検出値（すなわち複数の発電部１００の温度）に基づいて、複数の抵抗変化部１２０を制御する。例えば制御部１４０は、いずれかの発電部１００において温度が基準値以上になると、その発電部１００と第１端子２００の間の抵抗を高くする。これにより、その発電部１００の温度が上昇することを抑制できる。従って、複数の発電部１００の間で温度の差が広がることを抑制できる。

（第２の実施形態）
図４は、第２の実施形態に係る発電装置１０の構成を示す図である。本実施形態に係る発電装置１０は、温度センサ１０２の代わりに電流計１０４を有している点を除いて、第１の実施形態に係る発電装置１０と同様の構成である。

電流計１０４は複数の発電部１００のそれぞれに対して設けられており、その発電部１００が出力する電流値を測定する。制御部１４０は、電流計１０４の測定値を受信する。本図に示す例において、電流計１０４は、発電部１００と第２端子２０２の間に設けられている。ただし電流計１０４は、第１端子２００と発電部１００の間に、抵抗変化部１２０に大抵直列に設けられていてもよい。

図５は、図４に示した発電装置１０における、制御部１４０の動作の一例を示すフローチャートである。本実施形態における制御部１４０の動作は、抵抗変化部１２０の抵抗を変化させるときの処理を除いて、図３に示した処理と同様である。

制御部１４０は、複数の電流計１０４から受信した測定値の最高値と最小値の差が基準以上になった時、すなわち発電部１００の出力のばらつきが基準以上になった場合（ステップＳ２２：Ｙｅｓ）に、最高値を測定した電流計１０４に対応する抵抗変化部１２０のスイッチ１２４を開く（ステップＳ３０）。その後、制御部１４０は、この差が基準以下になると、スイッチ１２４を閉じる。この時の基準は、スイッチ１２４を開くときの基準より小さい値である。

燃料電池の発電効率は温度が高くなるにつれて高くなる。このため、発電部１００の出力にばらつきが生じた場合、発電部１００の温度もばらついている可能性が高い。本実施形態では、発電部１００の出力のばらつきが基準以上になった場合、出力が最も大きい発電部１００に対応する抵抗変化部１２０の抵抗値を高くする。これにより、その発電部１００から流れ出る電流は少なくなる。従って、その発電部１００の温度が上昇することを抑制できる。

なお、本実施形態において、制御部１４０は、いずれかの電流計１０４の測定値が基準値を超えたときに、その電流計１０４対応する抵抗変化部１２０のスイッチ１２４を開いてもよい。この場合、制御部１４０は、この差が基準以下になると、スイッチ１２４を閉じる。この時の基準は、スイッチ１２４を開くときの基準より小さい値である。

以上、図面を参照して本発明の実施形態について述べたが、これらは本発明の例示であり、上記以外の様々な構成を採用することもできる。例えば上記実施形態において、発電部１００の状態を示す指標として温度及び発電量を例示したが、出力として電流の他に、抵抗や電圧などの指標を用いてもよい。

１０ 発電装置
１００ 発電部
１０２ 温度センサ
１０４ 電流計
１２０ 抵抗変化部
１２２ 抵抗
１２４ スイッチ
１４０ 制御部
２００ 第１端子
２０２ 第２端子

Claims (5)

1. それぞれが燃料電池を有する複数の発電部と、
   前記複数の発電部の正極が接続されている第１端子と、
   前記複数の発電部の負極が接続されている第２端子と、
   前記複数の発電部それぞれに対して設けられ、当該発電部と前記第１端子の間の抵抗値及び当該発電部と前記第２端子の間の抵抗値の少なくとも一方を変化させる抵抗変化部と、
   前記複数の発電部それぞれの状態を検出する状態検出部と、
   前記状態検出部が検出した状態に基づいて前記複数の抵抗変化部を制御する制御部と、
   を備える発電装置。
2. 請求項１に記載の発電装置において、
   前記状態は、前記発電部の温度である発電装置。
3. 請求項１に記載の発電装置において、
   前記状態は、前記発電部の電流または抵抗、電圧の少なくとも一つである発電装置。
4. 請求項１〜３のいずれか一項に記載の発電装置において、
   前記発電部は、複数の燃料電池を有する燃料電池スタックである発電装置。
5. 発電装置の制御方法であって、
   前記発電装置は、
   それぞれが燃料電池を有する複数の発電部と、
   前記複数の発電部の正極が接続されている第１端子と、
   前記複数の発電部の負極が接続されている第２端子と、
   前記複数の発電部それぞれに対して設けられ、当該発電部と前記第１端子の間の抵抗値及び当該発電部と前記第２端子の間の抵抗値の少なくとも一方を変化させる抵抗変化部と、
   を備え、
   前記複数の発電部それぞれの状態に基づいて前記複数の抵抗変化部を制御する発電装置の制御方法。

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