JP3271771B2 - 内部改質型燃料電池の電源装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、燃料電池の出力電力を
検出する検出手段の情報に基づいて、前記燃料電池への
燃料供給量を前記出力電力が大になるほど前記燃料供給
量を増加させるように制御する制御手段が設けられた内
部改質型燃料電池の電源装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】内部改質型燃料電池の電源装置は、燃料
電池での水素と酸素との反応で発生する水蒸気を用いて
燃料ガスを水素を主成分とするガスに改質し、その改質
で発生した水素と、別途供給される酸素含有ガス中の酸
素とを反応させて発電し、その発電電力を取り出すもの
である。かかる内部改質型燃料電池の電源装置におい
て、従来は、外部負荷で消費される電力の変動に対応す
るために、燃料電池の出力電力を検出する検出手段の情
報に基づいて、燃料電池への燃料ガス供給量を制御する
ことにより出力電力を制御していた。すなわち、外部負
荷で消費される電力が増大傾向のときには、電力検出手
段の情報に基づいて燃料電池への燃料ガス供給量を増加
させることにより、反応量を増大させて出力電力を増大
していた。その反応量を増大させる際の、燃料ガス供給
量の増加に伴う燃料ガス改質量増加のための改質用水蒸
気の増大必要分は、その反応量の増大による水蒸気発生
量の増大分でまかなうようにしていた。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上記従来の装置は、外
部負荷の消費電力の増大幅が小さくて、その増大傾向に
基づいて燃料電池の出力電力を増大させるために必要な
燃料電池の反応量の増大量が、そのために増大供給され
る燃料ガスを改質する改質用水蒸気の増大必要分が前記
反応量の増大による水蒸気発生の増大分でまかなえる範
囲である場合は、その消費電力の変動に安定的に対応で
きる。しかしながら、外部負荷の消費電力の増大幅が大
きくかつ急激であって、その増大傾向に基づいて出力電
力を増大させるために必要な燃料電池の反応量の増大量
が、そのために増大供給される燃料ガスを改質する改質
用水蒸気の増大必要分が前記反応量の増大による水蒸気
発生の増大分でまかなえる範囲以上である場合は、その
消費電力の増大傾向に基づいて燃料ガス供給量を増大さ
せても、燃料電池での反応量をそれに対応して増大させ
ることができないため、出力電力を外部負荷の消費電力
の増大傾向に対応させて増大できなくなり、しかも、燃
料ガス供給量の増大分に見合った改質用の水蒸気の生成
が追従できないので、電池内部に煤の析出等で電池にダ
メージを与えるという問題があった。本発明は、かかる
実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、燃料電
池の出力電力のロスを小さくしながら、外部負荷の消費
電力の急変動に対応できる内部改質型燃料電池の電源装
置を提供する点にある。

【０００４】

【課題を解決するための手段】本発明による内部改質型
燃料電池の電源装置の特徴構成は、前記燃料電池の出力
電力を消費する疑似負荷手段を設け、前記制御手段が、
前記燃料電池の出力電力が外部負荷で消費される電力に
対して設定値を加えた出力電力になるように前記疑似負
荷手段への通電を制御し、かつ、前記外部負荷で消費さ
れる電力が増大傾向のときには、増大分に見合う分だけ
前記疑似負荷手段への通電を減少させるように前記疑似
負荷手段への通電を制御するように構成されている点に
ある。

【０００５】

【作用】上記特徴構成によれば、以下のようにして、外
部負荷の消費電力の増大に対応して、燃料電池の出力電
力を増大させる。 即ち、出力電力の増大分を疑似負荷手
段にて消費させるように疑似負荷手段への通電を制御し
て、燃料電池の出力電力を増大させることにより、燃料
電池の出力電力が外部負荷の消費電力に対して設定値を
加えた出力電力になるようにしておき、外部負荷の消費
電力が増大傾向のときは、その増大分に見合う分だけ疑
似負荷手段の消費電力を減少させるように疑似負荷手段
への通電を制御し、外部負荷の消費電力が増大しなくな
ると、出力電力の増大分を疑似負荷手段にて消費させる
ように疑似負荷手段への通電を制御して、燃料電池の出
力電力を増大させることにより、燃料電池の出力電力が
外部負荷の消費電力に対して設定値を加えた出力電力に
なるようにする。 ちなみに、燃料電池の出力電力を増大
させるときは、燃料電池の反応量の増大のために増大供
給される燃料ガスを改質する改質用水蒸気の増大必要分
が、前記反応量の増大による水蒸気発生の増大分で十分
にまかなえる状態で、燃料ガスを増大供給しながら燃料
電池の反応量を増大させて出力電力を増大させる。従っ
て、外部負荷の消費電力が増大するときは、外部負荷の
消費電力の増大分を疑似負荷手段での消費電力の減少分
で相殺することができ、外部負荷の消費電力の増大時点
では、燃料電池の出力電力の増大必要分をゼロ、すなわ
ち、燃料電池での反応量の増大必要分をゼロとすること
ができるので、燃料電池の反応量を急激に増大させるこ
となく外部負荷の消費電力の増大傾向に安定して対応で
きる。しかも、外部負荷の消費電力の大小にかかわら
ず、疑似負荷手段にて消費させる電力を前記設定値にな
るようにするので、燃料電池の出力電力を疑似負荷手段
にて消費させることによるロスを小さくすることができ
る。

【０００６】

【発明の効果】その結果、外部負荷の消費電力の大小に
かかわらず、疑似負荷手段にて消費させる電力を前記設
定値になるようにして、燃料電池の出力電力を疑似負荷
手段にて消費させることによるロスを小さくしながら、
外部負荷での消費電力の増大傾向が大きくてかつ急激な
場合に対しても、従来の問題、即ち、燃料ガス供給量を
増大させてもその増大分に見合った改質用水蒸気の生成
が追従できなくなって電池内部に煤の析出等で電池にダ
メージを与えるという問題を生じさせることなく対応で
きるようになったので、燃料電池の出力電力のロスを小
さくしながら、外部負荷の消費電力の急変動に対応でき
る内部改質型燃料電池の電源装置を提供し得るに至っ
た。

【０００７】

【実施例】以下、本発明の実施例を図１乃至図３に基づ
いて説明する。

【０００８】図中、Ｄは発電部１と改質部２とを有する
内部改質型燃料電池であり、その改質部２において外部
から供給される燃料ガスを水蒸気により水素を主成分と
する改質ガスに改質し、その改質ガス中の水素と、外部
から供給される酸素含有ガス中の酸素とを発電部１にお
いて反応させて直流電力を発電するものであり、改質部
２において燃料ガスを改質するための水蒸気としては、
発電部１における水素と酸素との反応により発生する水
蒸気を用いている。

【０００９】燃料電池Ｄからの出力直流電力をインバー
タ３により交流に変換し、そのインバータ３からの出力
交流電力を外部負荷４に供給するように構成してある。

【００１０】５は、燃料電池Ｄからの出力電流値Ｉｏを
検出する第１電流検出器、６は、電池制御部６Ａと負荷
制御部６Ｂとドライバ部６Ｃとから構成される制御装
置、７は、燃料電池Ｄの出力電力を消費する疑似負荷
部、８は、疑似負荷部７を通流する電流値Ｉｇを検出す
る第２電流検出器である。電池制御部６Ａは、第１電流
検出器５の検出電流値Ｉｏに基づいて燃料ガス供給量を
調整する比例弁１１を、検出電流値Ｉｏが大になるほど
燃料電池Ｄへの燃料ガス供給量を増加させ、かつ、検出
電流値Ｉｏが小になるほど燃料電池Ｄへの燃料ガス供給
量を減少させるように制御する。

【００１１】負荷制御部６Ｂは、第１電流検出器５の検
出電流値Ｉｏに基づいて、疑似負荷部７に通流させる電
流値をＩｓを設定するとともに、その設定電流値Ｉｓを
ドライバ部６Ｃに出力し、ドライバ部６Ｃは、第２電流
検出器８の検出電流値Ｉｇが設定電流値Ｉｓになるよう
に、疑似負荷部７への通電を制御する。

【００１２】疑似負荷部７の回路構成としては、例え
ば、図２に示すように、燃料電池Ｄの出力電力を熱とし
て消費する複数個の抵抗Ｒ１〜Ｒｎ夫々を複数個のトラ
ンジスタＴ１〜Ｔｎを介して電界効果型トランジスタＴ
ｆに接続して構成できる。そして、ドライバ部６Ｃは、
第２電流検出器８の検出電流値Ｉｇが負荷制御部６Ｂか
らの設定電流値Ｉｓになるように、電界効果型トランジ
スタＴｆのドレイン−ソース間を流れる電流を制御し
て、抵抗Ｒ１〜Ｒｎを通流する電流を制御するようにし
てある。

【００１３】また、抵抗Ｒ１〜Ｒｎで発生する熱により
冷却パイプ９内を通流する水を加熱して給湯、暖房等に
利用するようにしてあり、疑似負荷部７で消費させる電
力を排熱として回収して有効利用するように構成してあ
る。

【００１４】次に、制御装置６により燃料電池Ｄの出力
電力を制御する方法を説明する。燃料電池Ｄの改質部２
において燃料ガスを改質するための水蒸気は、発電部１
での水素と酸素との反応により発生する水蒸気を用いて
いるので、起動時は、燃料ガス改質のための水蒸気が蓄
えられていないので、外部より別途水素ガスを供給する
ことにより燃料電池Ｄを運転して、燃料ガス改質のため
の水蒸気が蓄えられるとともに安定して出力電力が取り
出せる状態になるまでの水素起動運転と、それに引き続
いて、水素ガス供給を断つとともに燃料ガスを供給する
ことにより、発電部１での反応により発生する水蒸気に
より燃料ガスを改質する状態で出力電力が所定値になる
まで燃料電池Ｄを運転する燃料ガス起動運転とを、連続
して実施する起動運転を行う。

【００１５】以下、図３に基づいて、起動運転時の制御
方法について説明する。水素起動運転では、第１電流検
出器５の検出電流値Ｉｏが、燃料ガス改質のための水蒸
気が蓄えられるとともに安定して出力電力が採り出せる
状態に対応させて予め設定された第１設定値Ｉ１になる
まで検出電流値Ｉｏを所定の上昇率で増加させるよう
に、燃料電池Ｄでの反応量を増大させるべく電池制御部
６Ａにより水素ガス供給量を調整する比例弁１０を制御
して燃料電池Ｄに水素ガスを漸次的に増加させながら供
給し、かつ、その出力電力が疑似負荷部７で消費される
ように負荷制御部６Ｂにより疑似負荷部７に通流させる
電流値Ｉｓを設定するとともにその設定電流値Ｉｓをド
ライバ部６Ｃに出力し、ドライバ部６Ｃにより第２電流
検出器８の検出電流値Ｉｇが設定電流値Ｉｓになるよう
に疑似負荷部７への通電を制御する。そして、水素起動
運転に引き続いて実施する燃料ガス起動運転では、第１
電流検出器５の検出電流値Ｉｏが第１設定値Ｉ１になる
と、電池制御部６Ａにより比例弁１０を制御して燃料電
池Ｄへの水素ガスの供給を断つとともに、第１電流検出
器５の検出電流値Ｉｏが、予め設定された第２設定値Ｉ
２（本実施例では、定格出力の２５％）になるまで検出
電流値Ｉｏを所定の上昇率で増加させるように、燃料電
池Ｄでの反応量を増大させべく比例弁１１を制御して燃
料電池Ｄに燃料ガスを漸次的に増加させながら供給し、
かつ、その出力電力が疑似負荷部７で消費されるように
負荷制御部６Ｂにより疑似負荷部７に通流させる電流値
Ｉｓを設定するとともにその設定電流値Ｉｓをドライバ
部６Ｃに出力し、ドライバ部６Ｃにより第２電流検出器
８の検出電流値Ｉｇが設定電流値Ｉｓになるように疑似
負荷部７への通電を制御する。

【００１６】次に、図３に基づいて、外部負荷４に供給
する電力を全て燃料電池の電源装置からの出力電力でま
かなう単独運転時における、燃料電池Ｄの通常運転時の
制御方法について説明する。通常運転では、第１電流検
出器５の検出電流値Ｉｏに基づいて、燃料電池Ｄの出力
電力が外部負荷４で消費される電力に対して設定値（本
実施例では、定格出力の２５％分）を加えた出力電力に
なるまで、出力電力を所定出力電力変動率（出力電力を
増大させるために必要な反応量の増大率が、そのために
増大供給される燃料を改質する改質用水蒸気の増大必要
分が前記反応量の増大による水蒸気発生の増加分で十分
にまかなえる範囲内である出力電力の変動率、例えば、
定格の５％／秒）で増加させるように、燃料電池Ｄでの
反応量を増大させるべく電池制御部６Ａにより比例弁１
１を制御して燃料電池Ｄに燃料ガスを漸次的に増加させ
ながら供給し、かつ、出力電力のうちで外部負荷４で消
費される分の残部が疑似負荷部７で消費されるように負
荷制御部６Ｂにより疑似負荷部７に通流させる電流値Ｉ
ｓを設定するとともにその設定電流値Ｉｓをドライバ部
６Ｃに出力し、ドライバ部６Ｃにより第２電流検出器８
の検出電流値Ｉｇが設定電流値Ｉｓになるように疑似負
荷部７への通電を制御する。

【００１７】並びに、外部負荷４で消費される電力が増
大すると、燃料電池Ｄへの燃料ガス供給量はそれまでの
状態を維持しながら、外部負荷４の消費電力の増大分に
見合う分だけ疑似負荷部７で消費される電力を減少させ
るように、負荷制御部６Ｂにより疑似負荷部７に通流さ
せる電流値Ｉｓを設定するとともにその設定電流値Ｉｓ
をドライバ部６Ｃに出力し、ドライバ部６Ｃにより第２
電流検出器８の検出電流値Ｉｇが設定電流値Ｉｓになる
ように疑似負荷部７への通電を制御する。

【００１８】並びに、外部負荷４で消費される電力が減
少すると、燃料電池Ｄの出力電力が外部負荷４で消費さ
れる電力に対して前記設定値（本実施例では、定格出力
の２５％分）を加えた出力電力になるまで、第１電流検
出器５の検出電流値Ｉｏに基づいて、出力電力を前記所
定出力電力変動率で減少させるように、燃料電池Ｄでの
反応量を減少させるべく電池制御部６Ａにより比例弁１
１を制御して燃料電池Ｄに燃料ガスを漸次的に減少させ
ながら供給し、かつ、出力電力のうちで外部負荷４で消
費される分の残部が疑似負荷部７で消費されるように負
荷制御部６Ｂにより疑似負荷部７に通流させる電流値Ｉ
ｓを設定するとともにその設定電流値Ｉｓをドライバ部
６Ｃに出力し、ドライバ部６Ｃにより第２電流検出器８
の検出電流値Ｉｇが設定電流値Ｉｓになるように疑似負
荷部７への通電を制御する。

【００１９】上述の如く燃料電池Ｄからの出力電力を制
御することにより、外部負荷４で消費される電力が急激
に増大しても、外部負荷４の消費電力の増大分を疑似負
荷部７での消費電力の減少分で相殺することができ、外
部負荷４の消費電力の増大時点では、燃料電池Ｄの出力
電力の増大必要分をゼロ、すなわち、燃料電池Ｄでの反
応量の増大必要分をゼロとすることができるので、燃料
電池の反応量を急激に増大させることなく安定して対応
でき、かつ、外部負荷４で消費される電力が急激に減少
しても、それに伴う燃料電池Ｄでの反応量を漸次的に減
少させるので、燃料電池Ｄでの反応量が急激に減少する
ことに起因する燃料電池Ｄ内の温度の急変による燃料電
池Ｄのダメージ等を確実に回避しながら安定して対応す
ることができる。

【００２０】〔別実施例〕上記実施例では、疑似負荷部
７を、燃料電池Ｄからインバータ３への直流電力供給ラ
インに接続する場合を例示したが、これに代えて、イン
バータ３から外部負荷４への交流電力供給ラインに、交
流電力を消費する疑似負荷部を接続しても良い。

【００２１】尚、特許請求の範囲の項に図面との対照を
便利にするために符号を記すが、該記入により本発明は
添付図面の構成に限定されるものではない。

【図面の簡単な説明】

【図１】内部改質型燃料電池の電源装置の概略構成図

【図２】疑似負荷手段の回路構成図

【図３】燃料電池の出力電力制御例図

【符号の説明】

４ 外部負荷 ５ 検出手段 ６ 制御手段 ７ 疑似負荷手段 Ｄ 燃料電池

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01M 8/04 H01M 8/06 G05F 1/67

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 燃料電池（Ｄ）の出力電力を検出する検
   出手段（５）の情報に基づいて、前記燃料電池（Ｄ）へ
   の燃料供給量を前記出力電力が大になるほど前記燃料供
   給量を増加させるように制御する制御手段（６）が設け
   られた内部改質型燃料電池の電源装置であって、 前記燃料電池（Ｄ）の出力電力を消費する疑似負荷手段
   （７）を設け、前記制御手段（６）が、前記燃料電池
   （Ｄ）の出力電力が外部負荷（４）で消費される電力に
   対して設定値を加えた出力電力になるように前記疑似負
   荷手段（７）への通電を制御し、かつ、前記外部負荷
   （４）で消費される電力が増大傾向のときには、増大分
   に見合う分だけ前記疑似負荷手段（７）への通電を減少
   させるように前記疑似負荷手段（７）への通電を制御す
   るように構成されている内部改質型燃料電池の電源装
   置。