JP4440617B2 - Fuel cell system - Google Patents
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Description
この発明は、水素と酸素との化学反応により電気エネルギーを発生させる燃料電池を有する燃料電池システムに関し、特に、発電スタックにて発生した電気エネルギーを電磁ノイズの発生を低減して交流電力に変換する燃料電池システムに係わる。 The present invention relates to a fuel cell system having a fuel cell that generates electrical energy by a chemical reaction between hydrogen and oxygen, and in particular, converts electrical energy generated in a power generation stack into AC power by reducing generation of electromagnetic noise. The present invention relates to a fuel cell system.
従来より、水素と酸素との電気化学反応を利用して発電を行い、負荷に電力を供給する燃料電池システムが知られている。この電力をより多く得るために、従来の燃料電池システムにおいては、複数の発電セルを積層した1個の発電スタックにて発生した直流電力を、1つのインバータで一括して交流電力に変換させる構成にしている(例えば、特許文献1参照)。 2. Description of the Related Art Conventionally, a fuel cell system that generates electric power using an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen and supplies electric power to a load is known. In order to obtain more of this electric power, in the conventional fuel cell system, the DC power generated in one power generation stack in which a plurality of power generation cells are stacked is collectively converted into AC power by one inverter. (For example, refer to Patent Document 1).
従来の燃料電池システムでは、直流電力を交流電力に変換するインバータとして、比較的電圧歪みの少ないパルス幅変調方式を採用している。このパルス幅変調のスイッチング周波数は、一般には10kHz程度の高周波が知られており、発電スタックを直列に接続することによる高い直流電圧をスイッチングすることと相まって、電磁ノイズの発生が極めて大きいという問題点があった。 In a conventional fuel cell system, a pulse width modulation method with relatively little voltage distortion is employed as an inverter that converts DC power into AC power. The switching frequency of this pulse width modulation is generally known as a high frequency of about 10 kHz, and combined with switching a high DC voltage by connecting the power generation stack in series, the generation of electromagnetic noise is extremely large. was there.
この発明は、上述のような問題点を解消するためになされたもので、電磁ノイズの発生が低減できる燃料電池システムを得ることを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object thereof is to obtain a fuel cell system capable of reducing the generation of electromagnetic noise.
この発明に係わる燃料電池システムは、燃料電池の発電セルを積層したスタックと、上記スタックより得られた直流電力を交流電力に変換するインバータとを備え、上記交流電力を負荷に供給する燃料電池システムにおいて、上記スタックと上記インバータの組を複数組有し、かつ上記スタックを互いに絶縁すると共に、上記インバータの各出力を直列接続し、上記各出力の中から所望の組み合わせを時間と共に選択し、時間と共に選択し組合わされた各出力の総和で上記負荷に供給する上記交流電力を生成させるものであって、積層する発電セルの枚数を変えることで、互いに絶縁された上記スタックより得られる直流電力に重み付けをし、複数の上記スタックの中で最小直流電力を出力するスタックを、その他のスタックで挟み込むように一括積層したものである。
この発明に係わる燃料電池システムは、燃料電池の発電セルを積層したスタックと、上記スタックより得られた直流電力を交流電力に変換するインバータとを備え、上記交流電力を負荷に供給する燃料電池システムにおいて、上記スタックと上記インバータの組を複数組有し、かつ上記スタックを互いに絶縁すると共に、上記インバータの各出力を直列接続し、上記各出力の中から所望の組み合わせを時間と共に選択し、時間と共に選択し組合わされた各出力の総和で上記負荷に供給する上記交流電力を生成させるものであって、上記負荷に供給する上記交流電力の数サイクルの時間内における、直流電力を得ている時間の合計が、全てのスタックで同じようにすることものである。
さらに、この発明に係わる燃料電池システムは、上記負荷に供給する上記交流電力の数サイクルの時間内における、直流電力を得ている時間の合計が、全てのスタックで同じになるように設定すると共に、発電セルの単位セル電圧による各スタック電圧特性に応じて、各スタックを同数の発電セルに換算したときの、各スタックの平均出力電圧が等しくなるように、上記直流電力を得る時間を微調整するようにしたものである。
A fuel cell system according to the present invention includes a stack in which power generation cells of a fuel cell are stacked, and an inverter that converts DC power obtained from the stack into AC power, and supplies the AC power to a load. The stack and the inverter, and the stacks are insulated from each other, the outputs of the inverter are connected in series, and a desired combination is selected from the outputs over time. The AC power supplied to the load is generated by the sum of the outputs selected and combined with the DC power obtained from the stacks insulated from each other by changing the number of power generation cells to be stacked. Weighting and stacking the stack that outputs the minimum DC power among the above stacks with other stacks It is obtained by batch lamination.
A fuel cell system according to the present invention includes a stack in which power generation cells of a fuel cell are stacked, and an inverter that converts DC power obtained from the stack into AC power, and supplies the AC power to a load. The stack and the inverter, and the stacks are insulated from each other, the outputs of the inverter are connected in series, and a desired combination is selected from the outputs over time. And generating the AC power to be supplied to the load with the sum of the outputs selected and combined with each other, and the time during which the DC power is obtained within the time of several cycles of the AC power supplied to the load. Is the same for all stacks.
Furthermore, the fuel cell system according to the present invention is set so that the total time for obtaining DC power is the same in all stacks within the time of several cycles of the AC power supplied to the load. The time to obtain the DC power is fine-tuned so that the average output voltage of each stack is equal when each stack is converted to the same number of power generation cells according to the stack voltage characteristics of the unit cell voltage of the power generation cell It is what you do.
この発明の燃料電池システムによれば、電磁ノイズの発生を低減できる。
そして、燃料電池の発電セルの積層数の一番少ないスタックを他のスタックで挟んだ積層したので、各スタックの温度差が小さくでき、発電効率を高めた燃料電池システムを得ることができる。
また、負荷に供給する交流電力の数サイクルの時間内における、直流電力を得ている時間の合計が、全てのスタックで同じようにすれば、各スタックの平均出力電圧に変化を生じさせないために、より高い発電効率を有した燃料電池システムを得ることができる。
さらに、負荷に供給する交流電力の数サイクルの時間内における、直流電力を得ている時間の合計が、全てのスタックで同じになるように設定すると共に、燃料電池の発電セルの単位セル電圧による各スタック電圧特性に応じて、各スタックを同数の発電セルに換算したときの、各スタックの平均出力電圧が等しくなるように、上記直流電力を得る時間を微調整するようにすれば、燃料電池システムの総合効率が向上する。
According to the fuel cell system of the present invention, generation of electromagnetic noise can be reduced.
Since the stack having the smallest number of stacked power generation cells of the fuel cell is sandwiched between the other stacks, the temperature difference between the stacks can be reduced, and a fuel cell system with improved power generation efficiency can be obtained.
Also, if the total time for obtaining DC power within the time of several cycles of AC power supplied to the load is the same for all stacks, the average output voltage of each stack will not change. Thus, a fuel cell system having higher power generation efficiency can be obtained.
Furthermore, within the time of several cycles of AC power supplied to the load, the total time for obtaining DC power is set to be the same for all stacks, and depends on the unit cell voltage of the power generation cell of the fuel cell. If the time for obtaining the DC power is finely adjusted so that the average output voltage of each stack becomes equal when each stack is converted into the same number of power generation cells according to each stack voltage characteristic, the fuel cell The overall efficiency of the system is improved.
実施の形態1.
図1はこの発明の実施の形態1における燃料電池システムを示す構成図である。図1(a)において、発電部104は、両側(紙面上、上下方向)に具備された端締付板1および端絶縁板2の間に、絶縁板(絶縁手段)3、および絶縁板3の両側(紙面上、上下方向)に具備された絶縁蓋4で絶縁されたスタック111〜113が複数個積層されている。この積層された複数個(この場合3個)のスタック111〜113、複数個の絶縁板3(この場合2個)、複数個の絶縁蓋4(この場合4個)、2個の端締付板1、および2個の端絶縁板2を、4組のボルト5、およびナット6によって、4ヶ所(図1(b)参照)で一括締付されている。スタック111〜113は、それぞれ複数の発電セル121を、両側(紙面上、上下方向)に具備された2個の電極7で挟み込むように構成されている。なお、図1(b)は図1(a)をA方向から見た平面図である。
1 is a configuration diagram showing a fuel cell system according to
次に、発電に欠かせない水素(以下、燃料ガスと称す)と酸素(以下、酸化剤ガスと称す)、および冷却水の発電部104に対する供給、および排出について説明する。燃料ガス、酸化剤ガス、および冷却水は、それぞれ燃料ガス入力ポート8、酸化剤ガス入力ポート12、および冷却水入力ポート10より供給され、各発電セル121内を、図1(b)紙面上、上側から下側へ、さらに、燃料ガスは左側から右側へ、酸化剤ガスは右側から左側へ流れ、燃料ガス出力ポート9、酸化剤ガス出力ポート13、および冷却水出力ポート11より排出される。各発電セル121における燃料ガス、酸化剤ガス、および冷却水の各供給孔は、燃料ガス入力ポート8、酸化剤ガス入力ポート12、および冷却水入力ポート10と同心上にあり、端締付板1、端絶縁板2、電極7、発電セル121、および絶縁蓋4を貫通した図示しない孔により供給されるが、スタック113の紙面上、上側の電極7、および紙面上、上側の端絶縁板2と端締付板1には、この孔は設けられておらず、また絶縁板3内には迂回路が介在している場合もある。各発電セル121における、燃料ガス、酸化剤ガス、および冷却水の各排出孔は、燃料ガス出力ポート9、酸化剤ガス出力ポート13、および冷却水出力ポート11と同心上にあり、絶縁蓋4、発電セル121、電極7、端絶縁板2、および端締付板1を貫通した図示しない孔により排出されるが、スタック111の紙面上、下側の電極7、および紙面上、下側の端絶縁板2と端締付板1には、排出用の孔は設けられておらず、また絶縁板3内には迂回路が介在している場合もある。なお、発電セル121内の流路、および絶縁板3内の迂回路(一例として、蛇行流路29)の説明については後述する。
Next, supply and discharge of hydrogen (hereinafter referred to as fuel gas) and oxygen (hereinafter referred to as oxidant gas) and cooling water, which are indispensable for power generation, to the
電極7は、平滑コンデンサと半導体スイッチング素子とダイオード等で構成されたインバータ101〜103に接続されており、図からもわかるように、スタック111とインバータ101、スタック112とインバータ102、およびスタック113とインバータ103は、それぞれ一対の関係にある。インバータ101〜103は、ブリッジ構成された半導体スイッチング素子の出力を介して、直列接続されており、さらに、インバータ101の紙面上、下側の出力と、インバータ103の紙面上、上側の出力が、図示しないモーター等の負荷に接続され、この負荷に対し、交流電力を供給している。各インバータ101〜103の出力(+出力、−出力)、停止は出力制御部105により制御される。
The electrode 7 is connected to
続いて、発電セル121の内部構造を、図2に基づいて説明する。図2は、図1(b)における断面B−Bのうち、発電セル121の1組のみを拡大した断面図である。高分子膜16の両側(紙面上、上下方向)にカソード電極15とアノード電極17とが接合一体化された電極・膜接合体131を、酸化剤ガス用セパレータ14と燃料ガス用セパレータ18により挟み込むことで発電セル121が構成されている。酸化剤ガス用セパレータ14には後述する酸化剤ガス用流路21が、燃料ガス用セパレータ18には、やはり後述する燃料ガス用流路24が具備されており、さらに、燃料ガス用セパレータ18には冷却水用流路27が具備されている。この発電セル121を複数組、例えば、図1(a)に示すように、4組をそれぞれ2個の電極7で挟み込んでスタック111〜113を構成していることは前述の通りである。なお、図2において、紙面上、上側にカソード電極15が、下側にアノード電極17が配置されているが、上下逆でもよい(なお、図1の回路結線的には、紙面上、上側がアノード電極(+)で、下側がカソード電極(−)の場合である)。ただし、カソード電極15と酸化剤ガス用セパレータ14、およびアノード電極17と燃料ガス用セパレータ18は、常に隣接して配置しておく必要がある。また、冷却水用流路27は酸化剤ガス用セパレータ14に具備されていてもよい。
Next, the internal structure of the
酸化剤ガス用セパレータ14における酸化剤ガスの流路を、図3に基づいて説明する。図3は、図1において、A方向から見た酸化剤ガス用セパレータ14のみの斜視図である。酸化剤ガスは、酸化剤ガス入力ポート12(図1参照)と同心上にある酸化剤ガス用供給孔19から、酸化剤ガス用流路21を通って、酸化剤ガス用出力ポート13(図1参照)と同心上にある酸化剤ガス用排出孔20より抜けていく。酸化剤ガス用流路21は、電極・膜接合体131(図2参照)との接触面より一段低い凹状の溝であるが、この電極・膜接合体131と積層されることで筒状の流路として作用する。
The flow path of the oxidant gas in the
燃料ガス用セパレータ18における燃料ガスの流路を、図4に基づいて説明する。図4は、図1において、C方向から見た燃料ガス用セパレータ18のみの斜視図である。燃料ガスは、燃料ガス入力ポート8(図1参照)と同心上にある燃料ガス用供給孔22から、燃料ガス用流路24を通って、燃料ガス出力ポート9(図1参照)と同心上にある燃料ガス用排出孔23より抜けていく。燃料ガス用流路24は、電極・膜接合体131(図2参照)との接触面より一段低い凹状の溝であるが、この電極・膜接合体131と積層されることで筒状の流路として作用する。
The fuel gas flow path in the
続いて、燃料ガス用セパレータ18における冷却水の流路を、図5に基づいて説明する。図5は、図1において、A方向から見た燃料ガス用セパレータ18のみの斜視図である。冷却水は、冷却水入力ポート10(図1参照)と同心上にある冷却水用供給孔25から、冷却水用流路27を通って、冷却水出力ポート11(図1参照)と同心上にある冷却水用排出孔26より抜けていく。冷却水用流路27は、酸化剤ガス用セパレータ14(図2参照)との接触面より一段低い凹状の溝であるが、この酸化剤ガス用セパレータ14、あるいは電極7(図1参照)と積層されることで筒状の流路として作用する。
Next, the flow path of the cooling water in the
この実施の形態1では、スタック111〜113を積層するにあたり、各スタック間の絶縁を特に強化しておく必要がある。この絶縁には前述の通り、絶縁板3がその役目を担っているが、その構造について図6,図7に基づいて説明する。図6は、図1において、A方向から見た絶縁板3のみの斜視図、図7は、図6の断面D−Dにおける断面図である。供給された冷却水は発電セル121を貫通した後、冷却水入力ポート10(図1参照)、および冷却水用供給孔25(図5参照)と同心上にある導入口28に達し、一旦、蛇行流路29を経て、貫通孔30を通ったのち、蛇行流路29の反対面に設けられている蛇行流路31を経て、連絡口32より次の発電セル121へ供給される。燃料ガス用セパレータ18をそれぞれ通り排出された冷却水も同様に、冷却水出力ポート11(図1参照)、および冷却水用排出孔26(図5参照)と同心上にある導入口33から入り、蛇行流路34、貫通孔35、蛇行流路34の反対面に設けられた蛇行流路36を通った後、連絡口37より出ていく。このように、導入口および連絡口から離れた距離に貫通孔を配置、換言すれば、導入口と連絡口の間の絶縁沿面距離を確保することで、絶縁板3の絶縁性を高めている。なお、導入口28および33、蛇行流路29、31、34および36、連絡口32および37は、絶縁蓋4(図1(a)参照)との接触面より一段低い凹状の溝であるが、この絶縁蓋4と積層されることで筒状の流路として作用する。
In the first embodiment, in stacking the
さらに、酸化剤ガスの排出についても、酸化剤ガス出力ポート13(図1参照)、および酸化剤ガス用排出孔20(図3参照)と同心上にある導入口38および連絡口42の間を、流路39、貫通孔40、および流路41で繋ぐことで、やはり絶縁板3の絶縁性を高めている。なお、図6,図7では、酸化剤ガスの供給、および燃料ガスの供給・排出は、それぞれ貫通孔43、44、および45となっているが、前述の酸化剤ガスの排出のように、流路経路を具備したものであってもよい。
Further, the oxidant gas is discharged between the
このように構成された燃料電池システムにおいて、出力制御部105の制御にて、インバータ101〜103からの交流電力を組み合わせて、図示しない負荷へ供給する。具体的には、図8に示すように、例えば商用周波数を12分割し、この12分割されたそれぞれの時間T1〜T12に対し、インバータ101〜103の出力を制御、例えば、時間T2においては、インバータ102および103から、また、時間T4においては、全てのインバータから、出力させることで、図9に示す交流波形に近い波形を生成することができる。
In the fuel cell system configured as described above, the AC power from the
図10で、例えば、時間T2とT7のときの制御について説明する。図1の回路結線は、前述したように、各スタックが、紙面上、上側がアノード電極(+)で下側がカソード電極(―)の場合である。時間T2では、図1でトランジスタTR1〜TR12を図10のT2のときで示すように、各トランジスタをON,OFF制御する。すると、電流は、図1(図1のインバータの結線は拡大的に示すと、図11のとおり)で、負荷側の下側端子(−)からインバータ101のダイオードD11―TR9ON―インバータ102のTR8ON―スタック121―TR5ON―インバータ103のTR4ON―スタック121―TR1ON―負荷側の上側端子(+)に流れる。つまり、インバータ101は停止(出力側短絡)、インバータ102は出力、インバータ103は出力となり、インバータ102と103の出力が加算(総和)されて、負荷側端子間に加わることになる。
For example, the control at time T2 and T7 will be described with reference to FIG. As described above, the circuit connection in FIG. 1 corresponds to the case where each stack is an anode electrode (+) on the upper side and a cathode electrode (−) on the lower side on the paper surface. At time T2, the transistors TR1 to TR12 are ON / OFF controlled as indicated by T2 in FIG. 10 in FIG. Then, the current is as shown in FIG. 1 (the connection of the inverter in FIG. 1 is enlarged as shown in FIG. 11). From the lower terminal (−) on the load side, the diode D11-TR9ON of the
同様に、時間T7では、トランジスタTR1〜TR12を図10のT7(交流電力の負の半波の一部)のときで示すように、各トランジスタをON,OFF制御する。すると、電流は、図1で、負荷側の上側端子(−)からインバータ103のTR2ON―スタック121―TR3ON―インバータ102のTR6ON―ダイオードD8―インバータ10
1のTR10ON―ダイオードD12―負荷側の下側端子(+)に流れる。つまり、インバータ103は出力、インバータ102は停止(出力側短絡)、インバータ101は停止(出力側短絡)となり、インバータ103の出力のみが、負荷側端子間に加わることになる。このようにして、図9に示す交流出力T1〜T12が出力制御部105のインバータ101〜103制御により、負荷側端子間に加えることができる。
Similarly, at time T7, the transistors TR1 to TR12 are ON / OFF controlled as shown by T7 in FIG. 10 (part of the negative half wave of AC power) . Then, in FIG. 1, the current flows from the upper terminal (−) on the load side to TR2ON of the
1 TR10ON-diode D12-flows to the load side lower terminal (+). That is, the
したがって、スタック111〜113で得られる直流電力をパルス幅変調する必要が無いので、電磁ノイズの発生を低く抑えることが可能となる。また、発電部104の絶縁性能強化、あるいは小型化の視点で捉えた場合、絶縁板3に冷却水の蛇行流路29(迂回路)を設けることが好ましく、さらに、排出された酸化剤ガスの流路39,40,41(迂回路)を設けるとなおよい。したがって、スタック111〜113を積層するにあたり、冷却水、あるいは排出された酸化剤ガスの導電性、換言すれば、これらによる湿気での絶縁低下を防ぐことができるので、スタック間の絶縁距離を広げる、つまり絶縁板3をむやみに厚くしなくてもよく、燃料電池システムの小型化に効果を奏する。
Therefore, since it is not necessary to perform pulse width modulation on the DC power obtained by the
以上、これまでの説明では、スタックを3個直列に接続していたが、4個以上がそれぞれ絶縁板3を挟み、直列に接続されていても同様の効果が得られるのは言うまでもない。また、絶縁蓋、および絶縁板を伴う積層ではなく、それぞれのスタックに、2個の端締付板、および2個の端絶縁板を設け、これを一つの独立したユニットとして、燃料電池システムを構築してもよい。
As described above, in the above description, three stacks are connected in series. Needless to say, the same effect can be obtained even when four or more stacks are connected in series with the insulating
実施の形態2.
実施の形態1では、スタック111〜113を構成する発電セル121は、それぞれのスタック111〜113において同数となっているが、図11に示すように、発電セル121の積層数を変化させた燃料電池システムを実施の形態2として説明する。スタック111の出力をV1、スタック112の出力をV2、およびスタック113の出力をV3とすると、例えば、V1:V2:V3=1:2:4になるように、スタック111〜113における発電セル121の積層数に差を持たせる。具体的には、図11からもわかるように、スタック111の発電セル121は4組、スタック112の発電セル121は8組、スタック113の発電セル121は16組とする。なお、このように複数の分割されたスタックの発電セルに差をもたせることを、「重み付けした分割」と便宜上呼ぶこととする。
In the first embodiment, the number of
このように構成された燃料電池システムにおいて、出力制御部105(図1と同様につき省略している。)にて、インバータ101〜103からの交流電力を組み合わせて、図示しない負荷へ供給する。具体的には、図12に示すように、例えば商用周波数を32分割し、この32分割されたそれぞれの時間T1〜T32に対し、インバータ101〜103の出力を制御する。この出力については、前述の通り、各スタックの発電セルの数に差を持たせているので、例えば、時間T3とT5における出力は、それぞれ2個のインバータによって構成されているものの、インバータ102と103の出力レベルが違うため、トータル出力も異なっている。つまり、図13からもわかるように、正負各7レベルから成る交流波形を生成することができる。したがって、この重み付けした分割を実施することにより、具備されるスタックが比較的少数であっても、より多くの交流電圧で構成される交流電力を得ることができる。
In the fuel cell system configured as described above, the output control unit 105 (not shown in FIG. 1) combines AC power from the
ところで、この実施の形態2では、図12で示した各インバータの出力および停止状態を、タイムチャートに書き改めた図14からもわかるように、各インバータとも1サイクルあたりの出力時間は、32分割された時間(商用周波数50Hzとすると、0.625ms)の20個分(よって、0.625×20=12.5ms)となっている。つまり、各インバータの1サイクルあたりに占める出力時間(以下、デューティーと称す)は、全てのインバータにおいて等しくなるよう制御されている。これは、デューティーを同じにすることで、各スタックの平均出力電圧に変化を生じさせないためである。よって、より高い発電効率を有した燃料電池システムを得ることができる。 By the way, in the second embodiment, as can be seen from FIG. 14 in which the output and stop state of each inverter shown in FIG. 12 is rewritten in the time chart, the output time per cycle is divided into 32 for each inverter. This is 20 times (hence, 0.625 × 20 = 12.5 ms) of the set time (assuming a commercial frequency of 50 Hz, 0.625 ms). That is, the output time (hereinafter referred to as duty) for each inverter in one cycle is controlled to be equal in all inverters. This is because the average output voltage of each stack is not changed by making the duty the same. Therefore, a fuel cell system having higher power generation efficiency can be obtained.
図13では、32分割された時間T1〜T32は、いわゆる等分分割した場合を示したが、より滑らかな交流波形を得るために、図15に示すように、非等分分割されるケースも有り得る。例えば、時間T1とT3において、インバータ101から出力されているが、このT1とT3とでは、時間幅が異なっている。しかしながら、図16に示すように、各インバータのデューティーが同じ(このケースでは、T1の時間幅を基準とすると、40/56)であれば、前述の通り、より高い発電効率を有した燃料電池システムを得ることができる。
FIG. 13 shows a case where the times T1 to T32 divided into 32 are so-called equally divided. However, in order to obtain a smoother AC waveform, there is a case where the time is divided evenly as shown in FIG. It is possible. For example, it is output from the
また、図11では、重み付けした分割順に、各スタックを紙面上、下方から上方に向かって積層しているが、図17に示すように、発電セル121の積層数の一番少ないスタック(この場合、111)を他のスタックで挟んだ積層にしてもよい。このことは、スタック111の体積あたりの発熱量が少ない、つまりスタック111の内部温度の低下による各スタックの温度差が小さくできるので、さらに発電効率を高めた燃料電池システムを得ることができる。
In FIG. 11, the stacks are stacked from the bottom to the top in the weighted division order, but as shown in FIG. 17, the stack with the smallest number of stacked power generation cells 121 (in this case) 111) may be stacked between other stacks. This means that the amount of heat generated per volume of the
なお、図17では、図1あるいは図11同様、隣りあったスタックが、スタックに対応したインバータ内のブリッジ構成された半導体スイッチング素子の出力を介して直列接続されるとともに、インバータ101の紙面上、下側の出力と、インバータ103の紙面上、上側の出力が、図示しないモーター等の負荷に接続されているが、これは重み付けした分割順に関係なく、積層順に接続しておかないと、スタック間で発生する電圧が大きくなるからである。
In FIG. 17, as in FIG. 1 or FIG. 11, adjacent stacks are connected in series via the output of a bridged semiconductor switching element in the inverter corresponding to the stack, and on the paper surface of the
以上、これまでの説明では、各インバータのデューティーを1サイクルの範囲で等しくなるよう制御していたが、この1サイクルに限定されるわけではなく、例えば、数サイクル(実験結果では、5サイクル程度が好ましい)に跨って、各インバータのデューティーが等しくなるように制御されたものであってもよい。 In the above description, the duty of each inverter is controlled to be equal in the range of one cycle. However, the duty is not limited to this one cycle. For example, it is several cycles (in the experimental results, about five cycles). May be controlled so that the duty of each inverter becomes equal.
実施の形態3.
これまでの説明では、発電セル121から得られる直流電力は、全て同一であると仮定して述べてきた。しかし、実使用上においては、発電セル121の製造時のバラツキや経時変化などにより、それぞれの発電セルの出力特性にバラツキが生じることがある。具体的には図18に示すように、例えば、2個の発電セル121−1および121−2の単位セル電圧と電流密度の関係を一つのグラフに表すと、出力電流Ioを同じにしようとすれば、発電セル121−2の出力電圧がΔVほど低くなることがわかる。
In the description so far, the DC power obtained from the
したがって、この状態のまま、スタックを構成し、直流電力を出力したとしても、インバータにおいて合成した階段状波形の一つのステップ電圧値、つまり任意の時間Tnにおける電圧値に影響を及ぼしてしまう。また、前述の通り、高い発電効率を有する燃料電池システムを得るためには、各スタックの平均出力電圧が等しいことが求められる。換言すれば、デューティーが悪い、つまり出力時間が長くなるとスタックの出力電圧が低くなり、発電効率が劣る。このことは、発電セル121の単位セル電圧にとっても同様であり、単位セル電圧の低い発電セル121は、その発電効率も悪い。よって、言うまでもないが、各発電セルの単位セル電圧に差がある状態での総合効率は、その差が無い状態に比べ悪くなる。そこで、各発電セルの単位セル電圧に差がある場合での、各スタックの平均出力電圧を合わせることを、実施の形態3として説明する。
Therefore, even if the stack is configured and the DC power is output in this state, one step voltage value of the stepped waveform synthesized in the inverter, that is, the voltage value at an arbitrary time Tn is affected. Further, as described above, in order to obtain a fuel cell system having high power generation efficiency, the average output voltage of each stack is required to be equal. In other words, when the duty is bad, that is, when the output time is long, the output voltage of the stack is lowered and the power generation efficiency is inferior. This also applies to the unit cell voltage of the
図19はこの発明の実施の形態3における燃料電池システムを示す構成図である。なお、上記実施の形態1と同一の部材については同一の符号を付して説明を省略し、以下、異なる部材についてのみ説明を行う。スタック111〜113は、実施の形態2と同様、重み付けした分割順に積層されており、このスタック111〜113を構成する一部品である電極7は、平滑コンデンサと半導体スイッチング素子で構成されたインバータ101〜103に接続されるとともに、出力制御部105に接続されている。この出力制御部105からの信号は、インバータ101〜103に送られている。
FIG. 19 is a block diagram showing a fuel cell system according to
インバータ101〜103は、ブリッジ構成された半導体スイッチング素子の出力を介して直列接続されるとともに、インバータ101の紙面上、下側の出力が直接、また、インバータ103の紙面上、上側の出力が常時短絡スイッチ46を介して、それぞれ負荷49に接続されている。さらに、このインバータ101の紙面上、下側、およびインバータ103の紙面上、上側の出力は、常時開放スイッチ47および試験用抵抗48を介して、接続されている。なお、常時短絡スイッチ46と常時開放スイッチ47は、一方が短絡の場合は他方は開放、一方が開放の場合は他方は短絡、というように連動している。
The
このように構成された燃料電池システムにおいて、その運転開始にあたり、図示しない補正ボタンを押したときに限り、常時短絡スイッチ46が開放するとともに、常時開放スイッチ47は短絡し、インバータ101〜103で組み合わされた交流電力は、試験用抵抗48を試験用定電流Itとして流れ、常時開放スイッチ47が短絡された情報が出力制御部105に送られる。ここで、スタック111の出力をVa、スタック112の出力をVb、およびスタック113の出力をVcとすると、この状態において、Va、Vb、およびVcがモニター測定され、出力制御部105に入力される。出力制御部105では、VaおよびVb、VcをVaと同数の発電セル121に換算した値(この場合、Vb/2およびVc/4)、さらに既定の試験用定電流Itより、各スタックの出力電圧の補正値を演算する。
In the fuel cell system configured as described above, the
具体的には、例えば、試験用定電流Itを20mA、換算後のVaを0.7V、Vbを0.68V、Vcを0.67Vとすると、各スタックの出力特性は図20で示される。なお、この例では、各スタックの使用領域での特性曲線の傾きは−0.5となっているが、これは、セパレータ14および18、電極・膜接合体131、スタック111〜113などの設計構造によって決まる値であり、当然の如く、その設計構造の違いにより、特性曲線の傾きも異なってくる。
Specifically, for example, when the constant test current It is 20 mA, the converted Va is 0.7 V, Vb is 0.68 V, and Vc is 0.67 V, the output characteristics of each stack are shown in FIG. In this example, the slope of the characteristic curve in the use region of each stack is −0.5. This is because the design of the
この各スタックの出力特性より、例えば、Vaを基準電圧とした場合の、VbおよびVcにおける0.7Vを出力するのに必要な電流を算出する。スタック112が0.7Vを出力するのに必要な電流をIb、スタック113が0.7Vを出力するのに必要な電流をIcとすると、図20よりIb、Icは、
Ib=It−((Va−Vb)/0.5)
Ic=It−((Va−Vc)/0.5)
で求められ、それぞれIb=19.96mA、Ic=19.94mAとなる。
From the output characteristics of each stack, for example, the current required to output 0.7 V at Vb and Vc when Va is the reference voltage is calculated. Assuming that the current necessary for the
Ib = It − ((Va−Vb) /0.5)
Ic = It − ((Va−Vc) /0.5)
And Ib = 19.96 mA and Ic = 19.94 mA, respectively.
このIbおよびIcより、インバータ102および103のデューティーの低減率を算出する。具体的には、
Ib/It=0.998、Ic/It=0.997
より、インバータ102および103の1サイクルあたりの出力時間を、インバータ101に対し、それぞれ99.8%、99.7%に低減されるように、出力制御部105はインバータ102および103の半導体スイッチング素子に対し指示する。この補正が完了次第、常時開放スイッチ47が開放、常時短絡スイッチ46が短絡し、補正されたインバータの出力が組み合わされて、交流電力として負荷49へ供給される。したがって、各発電セルの単位セル電圧に差がある場合でも、高い発電効率を有した燃料電池システムを得ることができる。
From these Ib and Ic, the duty reduction rate of
Ib / It = 0.998, Ic / It = 0.997
Thus, the
なお、実施の形態1〜3では、単相交流出力について述べたが、三相交流出力の場合でも同様な方式で電磁ノイズの発生を低減した燃料電池システムが得られることは言うまでもない。さらにまた、直流電力の発生手段は、これまで説明した燃料電池に限るわけではなく、蓄電池、あるいは太陽光発電セルなどを複数個直列接続している場合においても、同様な方式で電磁ノイズの発生を低減した交流電力発生システムを得ることができる。 In the first to third embodiments, the single-phase AC output has been described. Needless to say, a fuel cell system in which the generation of electromagnetic noise is reduced by the same method can be obtained even in the case of a three-phase AC output. Furthermore, the means for generating DC power is not limited to the fuel cell described so far, and even when a plurality of storage batteries or photovoltaic power generation cells are connected in series, electromagnetic noise is generated in the same manner. It is possible to obtain an AC power generation system that reduces the above.
上述の技術は、直流電力の発生手段として、これまで説明した燃料電池に限るわけではなく、蓄電池、あるいは太陽光発電セルなどを複数個直列接続している場合においても、同様な方式で、電磁ノイズの発生を低減した交流電力発生システムを得ることができる。 The above-described technology is not limited to the fuel cell described so far as the means for generating DC power, and even in the case where a plurality of storage batteries or photovoltaic power generation cells are connected in series, the electromagnetic wave is generated in a similar manner. An AC power generation system with reduced noise generation can be obtained.
1 端締付板 2 端絶縁板
3 絶縁板 4 絶縁蓋
5 ボルト 6 ナット
7 電極 8 燃料ガス入力ポート
9 燃料ガス出力ポート 10 冷却水入力ポート
11 冷却水出力ポート 12 酸化剤ガス入力ポート
13 酸化剤ガス出力ポート 14 酸化剤ガス用セパレータ
15 カソード電極 16 高分子膜
17 アノード電極 18 燃料ガス用セパレータ
19 酸化剤ガス用供給孔 20 酸化剤ガス用排出孔
21 酸化剤ガス用流路 22 燃料ガス用供給孔
23 燃料ガス用排出孔 24 燃料ガス用流路
25 冷却水用供給孔 26 冷却水用排出孔
27 冷却水用流路 28 導入口
29 蛇行流路 30 貫通孔
31 蛇行流路 32 連絡口
33 導入口 34 蛇行流路
35 貫通孔 36 蛇行流路
37 連絡口 38 導入口
39 流路 40 貫通孔
41 流路 42 連絡口
43〜45 貫通孔 46 常時短絡スイッチ
47 常時開放スイッチ 48 試験用抵抗
49 負荷
101〜103 インバータ 104 発電部
105 出力制御部 111〜113 スタック
121 発電セル
TR1〜TR12 トランジスタ D8,D11,D12 ダイオード。
DESCRIPTION OF
Claims (3)
上記スタックと上記インバータの組を複数組有し、かつ上記スタックを互いに絶縁すると共に、上記インバータの各出力を直列接続し、上記各出力の中から所望の組み合わせを時間と共に選択し、時間と共に選択し組合わされた各出力の総和で上記負荷に供給する上記交流電力を生成させるものであって、
積層する発電セルの枚数を変えることで、互いに絶縁された上記スタックより得られる直流電力に重み付けをし、
複数の上記スタックの中で最小直流電力を出力するスタックを、その他のスタックで挟み込むように一括積層したことを特徴とする燃料電池システム。 In a fuel cell system that includes a stack in which power generation cells of a fuel cell are stacked, and an inverter that converts DC power obtained from the stack into AC power, and supplies the AC power to a load.
There are multiple sets of the stack and the inverter, and the stack is insulated from each other, and the outputs of the inverter are connected in series, and a desired combination is selected from the outputs with time. And generating the AC power to be supplied to the load as the sum of the combined outputs ,
By changing the number of power generation cells to be stacked, the DC power obtained from the stacks insulated from each other is weighted,
A fuel cell system , wherein a stack that outputs the minimum DC power among the plurality of stacks is stacked together so as to be sandwiched between other stacks .
上記スタックと上記インバータの組を複数組有し、かつ上記スタックを互いに絶縁すると共に、上記インバータの各出力を直列接続し、上記各出力の中から所望の組み合わせを時間と共に選択し、時間と共に選択し組合わされた各出力の総和で上記負荷に供給する上記交流電力を生成させるものであって、
上記負荷に供給する上記交流電力の数サイクルの時間内における、直流電力を得ている時間の合計が、全てのスタックで同じようにすることを特徴とする燃料電池システム。 In a fuel cell system that includes a stack in which power generation cells of a fuel cell are stacked, and an inverter that converts DC power obtained from the stack into AC power, and supplies the AC power to a load.
There are multiple sets of the stack and the inverter, and the stack is insulated from each other, and the outputs of the inverter are connected in series, and a desired combination is selected from the outputs with time. And generating the AC power to be supplied to the load as the sum of the combined outputs,
A fuel cell system characterized in that the total time during which DC power is obtained within the time of several cycles of the AC power supplied to the load is the same for all stacks.
発電セルの単位セル電圧による各スタック電圧特性に応じて、各スタックを同数の発電セルに換算したときの、各スタックの平均出力電圧が等しくなるように、上記直流電力を得る時間を微調整するようにしたことを特徴とする請求項2記載の燃料電池システム。 In the time of several cycles of the AC power supplied to the load, the total time for obtaining DC power is set to be the same in all stacks,
Finely adjust the time to obtain the DC power so that the average output voltage of each stack is equal when each stack is converted to the same number of power generation cells according to the stack voltage characteristics of the unit cell voltage of the power generation cell The fuel cell system according to claim 2, which is configured as described above.
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