JP4879428B2 - 燃料電池発電装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
この発明は、燃料電池を電力供給源として、電力消費機器に電力を供給する燃料電池発電装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、二酸化炭素や窒素酸化物を排出しないことから環境にやさしく、また、エネルギー変換効率が高いなどのメリットから、新エネルギーとして燃料電池が注目されている。
【0003】
図7は、従来の燃料電池発電装置を機能的に説明するための概略ブロック図である。図7を参照して、燃料電池発電装置200は、燃料電池201と、電力変換回路202と、制御回路203とを含む。
【0004】
燃料電池201は、燃料極に水素などの燃料を、酸化剤極に酸素または空気などの酸化剤を供給し、燃料と酸化剤との化学反応において発生する化学反応エネルギーから電気エネルギーを得る直流電力発電電池である。燃料電池201には、後述するように種々の燃料電池が用いられる。
【0005】
電力変換回路202は、燃料電池201から得られた直流電力を負荷である電力消費機器204に応じて電力変換する。電力変換回路202は、電力消費機器204が交流負荷か、あるいは切替手段206を介した商用電力系統205が接続される場合にはインバータ回路が用いられる。また、電力変換回路202は、電力消費機器204が直流負荷である場合にはDC−DCコンバータが用いられる。
【0006】
制御回路203は、燃料電池1から出力される電圧を電力消費機器204あるいは商用電力系統205に適した電圧に変換するために電力変換回路202内のスイッチ素子の駆動を制御する。
【0007】
燃料電池201には、燃料としてガスを使用するリン酸型燃料電池、溶融炭酸塩型燃料電池、固体電解質型燃料電池、あるいはアルカリ電解液型燃料電池などが用いられる。また、燃料として液体を使用するメタノール燃料電池あるいはヒドラジン燃料電池なども用いられる。
【0008】
特に、上述した燃料電池の中でも、固体電解質型燃料電池に含まれる、電解質に高分子イオン交換膜を用いる固体高分子電解質型燃料電池(Polymer Electrolyte Fuel Cell、一般にPEFCと称される。)は、電解質が薄膜であるため他の燃料電池のセルに比べて小型軽量化が可能であること、また、反応温度が80℃以下と比較的低温であるため補機類が小型化できることなどの理由から、近年、自動車や家庭用の次世代電源として期待されている。
【0009】
また、メタノールを改質なしに利用できるダイレクトメタノール燃料電池(Direct Methanol Fuel Cell、一般にDMFCと称される。)は、気体燃料に比べてエネルギー密度の高い液体メタノールを改質なしに直接燃料として利用することができるため、改質器を必要とせずシステムが簡略化でき、したがって燃料ユニットの小型化を図ることができるため、固体高分子電解質型燃料電池と同様に次世代電源として期待されている。
【0010】
図8は、上述した固体高分子電解質型燃料電池の構造を概略的に説明するために単位セルの断面を示した図であり、図8を参照して燃料電池の基本的な構造について説明する。
【0011】
固体高分子電解質型燃料電池における単位セルは、電解質膜111と、燃料極112と、酸化剤極113と、触媒層114とからなる。電解質膜111、燃料極112、酸化剤極113および触媒層114によって積層された層全体を電池反応層と称することもある。
【0012】
電解質膜111は、燃料極で発生した水和状態の水素イオンを選択的に拡散させる性質を持った高分子型電解質膜である。電解質膜111は、電池反応をスムースに進行させて発電効率を向上させるために、常に湿潤状態に保たれ、飽和に含水させておく必要がある。電解質膜111には、パーフルオロスルホン酸系のポリマが多く用いられる。
【0013】
燃料極112は、燃料ガスである水素ガスが供給され、水素分子を水素イオンと電子に分解するアノードである。燃料極112には、反応を促進するために、後述するように触媒として白金(Pt)系貴金属が担持されている。
【0014】
酸化剤極113は、酸化剤ガスである酸素または空気が供給され、電解質膜111を透過した水素イオンと酸素および電子とが結合して水を生成するカソードである。酸化剤極113においても、反応を促進するために、触媒として白金(Pt)系貴金属が担持されている。
【0015】
触媒層114は、電気化学反応を促進するために、燃料極112と酸化剤極113とにそれぞれ担持された白金(Pt)系貴金属からなる反応層である。
【0016】
アノードである燃料極112から電子を外部へ取出し、カソードである酸化剤極113へ電子を供給することで、外部へ電力を取出すことができる。
【0017】
なお、このようにして構成された単位セルの出力電圧は1V以下と低いため、燃料電池1は、単位セルを直列接続して所望の出力電圧を出力する燃料電池スタックとして構成される。
【0018】
上述した固体高分子電解質型燃料電池やダイレクトメタノール燃料電池は、他の燃料電池と比較して低温で起動可能かつ高出力密度であるため、小型化できるメリットがある。そのため、携帯電話機などのポータブル機器において、より長時間の連続使用を目的に、これまで広く利用されてきた一次電池や二次電池に代わる電源としての期待がかけられている。また、さらに、燃料電池は、従来の二次電池のように外部電力による充電の手間が不要であり、燃料を再充填すればすぐに再使用できるなどのメリットもある。
【0019】
一方で、ポータブル機器用の電源として使用できるためには、従来型の電池と同程度の使い勝手が要求される。すなわち、電源投入後すぐに機器を使用できること、頻繁な電源の入/切に対応できることなどが求められる。
【0020】
しかしながら、一般に、燃料電池は、長時間未使用後に再起動させる場合、即座に定格電力を得ることができない。この原因は、主に燃料電池が有する下記の特性によるものである。
【0021】
固体高分子型燃料電池を例に説明すると、1つは、固体高分子電解質膜を介した電池反応は80℃程度で活性化されるため、固体高分子電解質膜に燃料が供給され始めた当初は、燃料電池内の電池反応層の温度が室温程度であり、電池反応が十分活性化されないということによる。
【0022】
もう1つは、燃料電池は、起動後すぐには固体高分子電解質膜が湿潤状態とならず、電解質膜のイオン伝導度が低いため、起動直後は十分な出力電流が得られないというものである。
【0023】
そこで、特開2000−30719号公報には、燃料電池を早期に起動させるために、燃料電池の温度を検出し、所定の温度以下であると判断したとき、燃料電池の正極と負極の出力端を低インピーダンスの負荷を介して準短絡状態とし、燃料電池内部に通常時よりも大きな電流が流れるようにする回路構成が開示されている。
【0024】
この方法によれば、燃料電池の温度が低いとき、燃料電池内部に流した電流による発熱効果により、電池反応部の温度上昇を早めることができ、より短時間で燃料電池を定格出力が可能な温度状態に導くことができる。したがって、結果的に燃料電池の起動時間を早めることができる。
【0025】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように、燃料電池を携帯電話機などのポータブル機器において利用する場合、電源投入後すぐに機器を使用できることなど、従来電池と同程度の使い勝手が要求される。
【0026】
これに対して、上述した特開2000−30719号公報に記載された発明は、燃料電池が定格出力を出力可能か否かの判断基準として燃料電池の温度を用いているが、この方法では、燃料電池の出力特性を見誤る可能性がある。
【0027】
図9は、燃料電池の単位セルの出力電圧と温度との相関の一例を示す図である。図9を参照して、横軸に単位セルに流れる電流の電流密度、縦軸に単位セルの出力電圧をとり、セルの温度別にデータが示されている。曲線91は、セルの温度が25℃のときのデータである。曲線92は、セルの温度が50℃のときのデータである。曲線93は、セルの温度が75℃のときのデータである。
【0028】
図から、セルの出力電圧は、温度のみならずセルを流れる電流密度にも大きく依存していることがわかる。また、電流密度によってセルの出力電圧の温度依存性も変化する。セルに流れる電流の電流密度は、セルへの燃料供給量や、水和状態の水素イオンの移動度を高めるために必要な電解質膜の湿潤度などに依存する。すなわち、実際の燃料電池の出力特性は、温度のみならず、燃料供給量や電解質膜の湿潤状態などその他の因子にも大きく依存するため、燃料電池のセルの温度条件のみでは燃料電池発電装置が定格運転が可能か否かは判断できない。
【0029】
たとえば、燃料供給量が不足しているときに燃料電池発電装置から負荷へ電力の供給を行なうと、本来燃料電池発電装置が定格運転に満たない状態であるにも拘わらず、負荷へ定格電力を出力しようとするため、燃料電池に過電流が流れて電解質膜が損傷することがある。
【0030】
また、電解質膜の加湿が不足しているときに同様に燃料電池発電装置から負荷へ電力の供給を行なうと、固体高分子電解質膜のイオン伝導度が低い状態で電流を出力しようとするため、電極触媒層の酸化・劣化をもたらすおそれがある。
【0031】
さらに、上述した特開2000−30719号公報に記載された発明は、燃料電池のセルの温度を検出するために熱電対やサーミスタなどの温度検出素子が必要であるため、小型化が要求されるポータブル機器などへの適用を考える場合には、装置の小型化を阻害する要因となり、さらに装置全体としての部品コストの増加も招く。
【0032】
そこで、この発明は、かかる課題を解決するためになされたものであり、その目的は、装置の起動状態から定格運転可能状態への移行を正確かつ安全に行なう燃料電池発電装置を提供するものである。
【0033】
また、この発明の別の目的は、上述した燃料電池発電装置を低コストで提供するものである。
【0034】
【課題を解決するための手段】
この発明によれば、燃料電池発電装置は、燃料と酸化剤との化学反応エネルギーを電気エネルギーに変換して直流電力を発生する燃料電池と、燃料電池から出力される直流電力を所定の電力に変換して出力する電力変換回路と、燃料電池の正極と負極とを接続して燃料電池へ電流を還流するための起動回路と、制御回路とを備え、制御回路は、燃料電池の出力電圧を検出し、検出した出力電圧を所定の基準電圧と比較し、検出した出力電圧が基準電圧以下であると判定したとき、燃料電池の正極と負極との接続を指示する起動信号を起動回路へ出力するとともに、電力変換回路の駆動を停止する停止信号をさらに電力変換回路へ出力する。
【0036】
好ましくは、基準電圧は、第1の基準電圧と、第1の基準電圧よりも高く設定される第2の基準電圧とを含み、制御回路は、検出した出力電圧が第1の基準電圧以下であると判断したのち、検出した出力電圧が第2の基準電圧を超えたと判断するまで、起動信号および停止信号の少なくとも一方の出力を保持する。
【0037】
好ましくは、起動回路は、燃料電池の正極と負極とが接続されるときに燃料電池へ還流する電流を所定の大きさに制限するインピーダンスと、起動信号が出力されているとき、燃料電池の正極と負極とをインピーダンスを介して接続するスイッチ回路とを含む。
【0038】
好ましくは、インピーダンスは、燃料電池を外部から昇温する発熱体である。
好ましくは、燃料電池は、固体高分子電解質型燃料電池である。
【0039】
好ましくは、電力変換回路は、燃料電池が発生する直流電圧を交流電圧に変換して出力するインバータ回路である。
【0040】
また、電力変換回路は、燃料電池が発生する直流電圧を所定の直流電圧に変換して出力するコンバータ回路であってもよい。
【0041】
上述したように、この発明による燃料電池発電装置によれば、燃料電池の出力電圧の実績に基づいて燃料電池の運転状態の判断を行なうようにしたので、燃料電池発電装置が安定した定格運転可能状態にあるか否かを正確に判断することができる。
【0042】
そして、定格運転可能状態を正確に判断した上で、長期不使用後の起動時など燃料電池発電装置の定格運転が可能でないと判断される時は、燃料電池の正極および負極をインピーダンスを介して接続して燃料電池に電流を還流し、還流された電流によって燃料電池のセルを加熱するようにしたので、燃料電池発電装置は、正確な判断をもって、かつ、早期に起動状態から定格運転状態へ移行することができ、また、定格運転状態へ未移行の状態で運転を行なうことによる燃料電池の損傷を防止することができる。
【0043】
また、定格運転可能状態の判断基準となる基準電圧を2つ設け、インピーダンスを接続する基準電圧よりも切離す基準電圧を高く設定するようにしたので、インピーダンスの接続/切離し動作のチャタリングを防止することができ、過度な動作による装置の早期劣化を防止することができる。
【0044】
また、上述した基準電圧を2つ設ける方法に代えて、基準電圧は1つとし、定格運転可能状態ではないと判断されてインピーダンスが接続されているときに、出力電圧と基準電圧との比較チェックを所定の間隔をおいて行なうようにした場合にも、インピーダンスの接続/切離し動作のチャタリングを防止することができ、この場合には上記の効果に加えて、さらに、処理の簡略化および基準電圧の一元管理化が可能となる。
【0045】
また、この発明による燃料電池発電装置によれば、起動時は、インピーダンスを介して電流の大部分を燃料電池に還流させ、実負荷である電力消費機器にはほとんど電力が供給されないようにしたので、電力消費機器における無用な電力消費を低減することができる。
【0046】
また、さらに、熱電対やサーミスタなどの温度検出素子が不要であるので、より低コストで、かつ、小型な装置構成とすることができる。
【0047】
また、この発明による燃料電池発電装置によれば、インピーダンスにヒータなどの発熱体を用い、発熱体により燃料電池を外部から加熱するようにしたので、燃料電池発電装置が定格運転可能状態に到達する時間をより短縮でき、より短時間で定格出力を外部の電力消費機器に供給することができる。
【0048】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰返さない。
【0049】
図1は、本発明による燃料電池発電装置を機能的に説明する概略ブロック図である。図1を参照して、燃料電池発電装置100は、燃料電池1と、電力変換回路2と、制御回路3と、起動回路4と、電圧検出端子5とを含む。起動回路4は、リレー41と、インピーダンス42とからなる。
【0050】
燃料電池1は、上述した固体高分子電解質型燃料電池である。燃料電池1は、定格出力10Vの直流電力を出力する。
【0051】
電力変換回路2は、燃料電池1から出力される直流電力を外部の電力消費機器6において利用可能な交流電力に変換して供給するインバータ回路である。
【0052】
制御回路3は、電力変換回路2および起動回路4を制御するマイクロコンピュータである。制御回路3は、電力変換回路2から電力消費機器6に適した電圧を供給するために、電力変換回路2のスイッチ素子の駆動を制御する。また、制御回路3は、燃料電池1の正極ノードに接続された電圧検出端子5を介して検出した燃料電池1の出力電圧の電圧レベルに応じて、起動回路4へ起動信号を出力する。起動信号の出力に関する制御回路3の処理フローについては後述する。
【0053】
起動回路4は、制御回路3からの起動信号に応じて燃料電池1の両極ノードを接続して閉回路を構成し、燃料電池発電装置100を早期に起動するための回路である。
【0054】
リレー41は、制御回路3から受ける起動信号に応じて燃料電池1の両極ノードをインピーダンス42を介して接続する。
【0055】
インピーダンス42は、低抵抗値の抵抗である。インピーダンス42は、燃料電池1の正極と負極との間の直接的な短絡を防止し、起動回路4を介して燃料電池1に還流する電流を燃料電池の性能劣化をもたらさない範囲に制限するための電流制限用インピーダンスである。インピーダンス42は、燃料電池1の電気的特性により適正値が定められるが、抵抗値が大きすぎると燃料電池1に還流する電流量が少なくなり燃料電池1の加熱効果が得られなくなるため、たとえば、定格出力10Vの燃料電池1に対しては、抵抗値は100Ω以下であることが望ましい。この実施の形態においては、インピーダンス42は、20Ωの抵抗を使用している。このとき、起動回路4を介して100mA程度の電流が燃料電池1に還流し、燃料電池1のセルの温度上昇が促進される。
【0056】
また、インピーダンス42は、発熱体であるニクロム線であり、燃料電池1の近傍に配置される。このように、燃料電池1に近接して配置することにより燃料電池1を外部からも加熱することによって、燃料電池1のセルの温度上昇がさらに促進される。
【0057】
電圧検出端子5は、制御回路3において燃料電池1の出力電圧を検出するために、燃料電池1の正極ノードに設けられた端子である。電圧検出端子5は、制御回路3に接続され、制御回路3において燃料電池1の出力電圧が検出される。
【0058】
燃料電池発電装置100が起動されると、燃料電池1は、燃料と酸化剤との電池反応が開始され、直流電力を発電して出力する。電力変換回路2は、制御回路3から指令を受けて、燃料電池1から出力される直流電力を所定の交流電力に変換して電力消費機器6へ出力する。
【0059】
一方、制御回路3は、電圧検出端子5を介して燃料電池1の出力電圧を検出し、出力電圧を予め定められた基準電圧と比較する。そして、制御回路3は、その比較結果に応じて起動信号をリレー41へ出力する。リレー41は、制御回路3から起動信号を受けると、起動信号が出力されている間リレーを閉として、燃料電池1の両極ノードをインピーダンス42を介して接続する。そして、インピーダンス42の抵抗値に応じた電流が燃料電池1に還流し、燃料電池1の温度上昇が促進されることにより燃料電池発電装置100の早期起動が促進される。
【0060】
図2は、燃料電池発電装置100の全体構成を示す斜視図である。上述したように、燃料電池1は、単位セル1枚では出力電圧が低いため、複数枚の単位セルが積層されて構成される。また、インピーダンス42は、燃料電池1の近傍に配置され、燃料電池1を外部からも昇温できるレイアウト構成となっている。
【0061】
図3は、燃料電池発電装置100が携帯情報端末(Personal Digital Assistance、一般にPDAと略称される。)の電源として用いられた際の様子を示す斜視図である。携帯情報端末のユーザは、図3に示すように、携帯情報端末300の背部に燃料電池発電装置100を装着して燃料電池発電装置100をバッテリーとして利用することができ、燃料(たとえばメタノールなど)を保有してさえいれば、系統電力の無い山間部や海上、僻地などにおいても携帯情報端末300を利用することができる。
【0062】
次に、燃料電池発電装置100の起動時における制御回路3の処理フローについて説明する。
【0063】
初期状態として、燃料電池発電装置100は動作を停止しており、リレー41は開、電力変換回路2は停止の状態にあるものとして、以下説明する。
【0064】
図4を参照して、燃料電池発電装置100が起動すると、制御回路3は、電圧検出端子5を介して燃料電池1の出力電圧VFCを検出する。そして、制御回路3は、出力電圧VFCを予め定められた第1の基準電圧V1と比較し、出力電圧VFCが第1の基準電圧V1以下であるか否かをチェックする(ステップS1)。
【0065】
ここで、第1の基準電圧V1は、リレー41を閉とする電圧であり、この実施の形態においては、燃料電池の定格出力10Vに対して、第1の基準電圧V1は5Vに設定されている。
【0066】
制御回路3は、ステップS1において出力電圧VFCが第1の基準電圧V1以下であると判断すると、燃料電池1の立上げ動作が必要であると判断し、起動信号をリレー41へ出力してリレー41を閉にする(ステップS2)。
【0067】
リレー41が閉状態である間は、上述したように、燃料電池1にはインピーダンス42を介して100mA程度の電流が還流し、この電流が燃料電池1のセル内を通流することにより燃料電池1の温度上昇が促進され、燃料電池発電装置100の早期起動が促進される。
【0068】
そして、制御回路3は、ステップS1へ戻り、後述するステップS3において出力電圧VFCが第2の基準電圧V2よりも大きいと判断するまでリレー41の閉状態を維持する。
【0069】
制御回路3は、ステップS1において出力電圧VFCが第1の基準電圧V1よりも大きいと判断すると、出力電圧VFCを予め定められた第2の基準電圧V2と比較し、出力電圧VFCが第2の基準電圧V2以下であるか否かをチェックする(ステップS3)。
【0070】
ここで、第2の基準電圧V2は、リレー41を開とする電圧であり、この実施の形態においては、第2の基準電圧V2は、第1の基準電圧V1よりも大きい6Vに設定されている。
【0071】
第2の基準電圧V2を第1の基準電圧V1よりも大きな値に設定したのは、リレー41のチャタリング防止のためである。すなわち、燃料電池1が起動した後、出力電圧VFCが5V以下であればリレー41が閉状態になるが、出力電圧VFCが6Vを超えるまでリレー41の閉状態は維持されるため、出力電圧が5V近傍時のリレー41の頻繁な開閉動作を防止できる。
【0072】
制御回路3は、ステップS3において出力電圧VFCが第2の基準電圧V2以下であると判断すると、燃料電池1はまだ十分な出力可能状態になっていないと判断してリレー41を閉状態に維持する。
【0073】
制御回路3は、ステップS3において出力電圧VFCが第2の基準電圧V2よりも大きいと判断すると、燃料電池1は安定した十分な出力可能状態になったと判断して、リレー41へ出力していた起動信号をオフしてリレー41を開にする(ステップS4)。そして、制御回路3は、燃料電池1が十分な出力可能状態になったことを受けて電力変換回路2を駆動し(ステップS5)、燃料電池1から発電された電力が電力変換回路2を介して電力消費機器6へ供給される。
【0074】
制御回路3の処理フローは、上述した処理フローに代えて、図5に示すもう1つの処理フローとすることもできる。図5に示す処理フローは、図4において示された処理フローよりも若干単純化される。
【0075】
図5を参照して、もう1つの処理フローは、図4において示された処理フローにおいて、ステップS3の処理が省略され、ステップS2の後にステップS6の処理が追加される。図4に示した処理フローでは、制御回路3は、ステップS2においてリレー41を閉にした後、直ちにステップS1へ戻り、出力電圧VFCと第1の基準電圧V1との再比較を行なう。一方、図5に示す処理フローでは、制御回路3は、ステップS2においてリレー41を閉にした後、ステップS6において所定時間待機した後ステップS1へ戻り、出力電圧VFCと第1の基準電圧V1との再比較を行なう。
【0076】
このような処理としたのは、出力電圧の検出の際のノイズによるリレー41のチャタリングを防止するためであり、このような待機時間を設けることによって第2の基準電圧V2を第1の基準電圧V1と同じ値に取ることができ、さらに、図4において示したステップS3の判断処理を省略することができる。これは、下記の理由による。
【0077】
リレー41が閉となって燃料電池1の出力側で閉回路が構成されると、インピーダンス42へ電流が流れ出す。そのため、燃料電池1の出力電圧VFCは、燃料電池1の温度上昇による出力電圧の上昇が現れるまで漸減する。したがって、リレー41が閉となった後、直ちに出力電圧VFCを第1の基準電圧V1と比較しても、前回の比較時と同様に出力電圧VFCは第1の基準電圧V1以下であり、直ちに出力電圧VFCが第1の基準電圧V1を超えることはない。すなわち、図5におけるステップS6の待機処理は、ステップS2においてリレー41を閉とした直後で出力電圧VFCが漸減する前に、検出ノイズによる出力電圧VFCの誤認識によりリレー41が開になることを防止している。
【0078】
これによって、第2の基準電圧V2を第1の基準電圧V1と同じ値に設定してもリレー41のチャタリング動作は防止されるため、2つの基準電圧を設定する必要がなく、判断処理が簡略化される。また、リレー41を開とする基準電圧をリレー41のチャタリング防止を目的に高く設定する必要もないため、電力変換回路2の起動を早めることができる。
【0079】
なお、この実施の形態においては、待機時間を10秒に設定したが、燃料電池発電装置100の電気的特性に応じて増減することができる。
【0080】
なお、上述した実施の形態においては、燃料電池1は、固体高分子電解質型燃料電池としたが、定格出力を得るために昇温が必要なその他のタイプの燃料電池であっても本発明に適用することができる。
【0081】
また、電力変換回路2は、電力消費機器6を交流機器としてインバータ回路としたが、電力消費機器6が直流機器である場合には、DC−DCコンバータであってもよい。
【0082】
また、リレー41は、スイッチ機能を有するその他の回路で代替することができ、たとえば、トランジスタなどをリレー41の代わりに用いてもよい。
【0083】
この発明の実施の形態によれば、燃料電池1の出力電圧VFCの実績に基づいて燃料電池1の起動状態の判断を行なうようにしたので、燃料電池発電装置100が安定した定格運転可能状態にあるか否かを正確に判断することができる。
【0084】
そして、定格運転可能状態を正確に判断した上で、長期不使用後の起動時など、燃料電池1の出力電圧VFCがまだ十分に得られず、燃料電池発電装置100の定格運転が可能でないと判断されるときは、燃料電池1の正極および負極をインピーダンスを介して接続して燃料電池1に電流を還流し、還流された電流によって燃料電池1のセルを加熱するようにしたので、燃料電池発電装置100は、正確な判断をもって、かつ、早期に起動状態から定格運転状態へ移行することができる。
【0085】
図6は、この発明による実施の形態における燃料電池発電装置100の起動特性の改善効果を示す図である。図6において、横軸は時間を、縦軸は燃料電池1の単位セルが出力する開放電圧を示す。曲線61は、図7において示された従来の燃料電池発電装置200における単位セルの出力電圧を示す。曲線62は、この実施の形態による燃料電池発電装置100における単位セルの出力電圧を示す。図からわかるように、燃料電池発電装置100における単位セルの出力電圧は、従来の燃料電池発電装置200における単位セルの出力電圧と比較して立上り特性が大きく改善されている。
【0086】
そして、この発明の実施の形態によれば、定格運転可能状態を正確に判断するので、定格運転状態へ未移行の状態で運転を行なうことによる燃料電池の損傷を防止することができる。
【0087】
また、この発明の実施に形態によれば、定格運転可能状態の判断基準となる基準電圧として、第1の基準電圧V1と、第1の基準電圧V1より大きい第2の基準電圧V2とを設け、インピーダンス42を接続するための基準電圧として第1の基準電圧V1を用い、インピーダンス42を切離すための基準電圧として第2の基準電圧V2を用いるようにしたので、インピーダンス42の接続と切離しの電圧を単純に同じ値にしたときに発生し得る、接続/切離しのチャタリング動作を防止することができ、過度な動作による装置の早期劣化を防止することができる。
【0088】
さらに、上述した第2の基準電圧V2を設ける方法に代えて、インピーダンス42の接続と切離しの基準電圧は1つとし、出力電圧と基準電圧との比較チェックを所定の間隔をおいて行なうようにした場合にも、インピーダンス42の接続/切離し動作のチャタリングを防止することができ、この場合には上記の効果に加えて、さらに、処理の簡略化および基準電圧の一元管理化が可能となる。
【0089】
さらに、この発明の実施の形態によれば、燃料電池発電装置100の起動時は、インピーダンス42を介して燃料電池1から出力される電流の大部分を燃料電池1に還流させ、実負荷である電力消費機器6にはほとんど電力が供給されないようにしたので、電力消費機器6における無用な電力消費を低減することができる。
【0090】
また、さらに、熱電対やサーミスタなどの温度検出素子が不要であるので、より低コストで、かつ、小型な装置構成とすることができる。
【0091】
また、さらに、インピーダンス42にヒータなどの発熱体を用い、発熱体により燃料電池1を外部から加熱するようにしたので、燃料電池発電装置100が定格運転可能状態に到達する時間をより短縮でき、より短時間で定格出力を電力消費機器6に供給することができる。
【0092】
今回開示された実施の形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施の形態の説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【図面の簡単な説明】
【図1】 この発明による燃料電池発電装置を機能的に説明する概略ブロック図である。
【図2】 図1に示す燃料電池発電装置の全体構成を示す斜視図である。
【図3】 図1に示す燃料電池発電装置が携帯情報端末の電源として用いられる際の様子を示す斜視図である。
【図4】 図1に示す燃料電池発電装置の起動時における制御回路の処理フローについて説明するフローチャートである。
【図5】 図1に示す燃料電池発電装置の起動時における制御回路の処理フローの他の例について説明するフローチャートである。
【図6】 図1に示す燃料電池発電装置における燃料電池の起動特性の改善効果を示す図である。
【図7】 従来の燃料電池発電装置を機能的に説明する概略ブロック図である。
【図8】 固体高分子電解質型燃料電池の構造を概略的に説明する単位セルの断面図である。
【図9】 燃料電池の単位セルの出力電圧と温度との相関の一例を示す図である。
【符号の説明】
1,201 燃料電池、2,202 電力変換回路、3,203 制御回路、4 起動回路、5 電圧検出端子、6,204 電力消費機器、41 リレー、42 インピーダンス、100,200 燃料電池発電装置、111 電解質膜、112 燃料極、113 酸化剤極、114 触媒層、205 商用電力系統、206 切替手段、300 携帯情報端末。
Claims (7)
- 燃料と酸化剤との化学反応エネルギーを電気エネルギーに変換して直流電力を発生する燃料電池と、
前記燃料電池から出力される直流電力を所定の電力に変換して出力する電力変換回路と、
前記燃料電池の正極と負極とを接続して前記燃料電池へ電流を還流するための起動回路と、
制御回路とを備え、
前記制御回路は、前記燃料電池の出力電圧を検出し、前記検出した出力電圧を所定の基準電圧と比較し、前記検出した出力電圧が前記基準電圧以下であると判定したとき、前記燃料電池の正極と負極との接続を指示する起動信号を前記起動回路へ出力するとともに、前記電力変換回路の駆動を停止する停止信号をさらに前記電力変換回路へ出力する、燃料電池発電装置。 - 前記基準電圧は、
第1の基準電圧と、
前記第1の基準電圧よりも高く設定される第2の基準電圧とを含み、
前記制御回路は、前記検出した出力電圧が前記第1の基準電圧以下であると判断したのち、前記検出した出力電圧が前記第2の基準電圧を超えたと判断するまで、前記起動信号および前記停止信号の少なくとも一方の出力を保持する、請求項1に記載の燃料電池発電装置。 - 前記起動回路は、
前記燃料電池の正極と負極とが接続されるときに前記燃料電池へ還流する電流を所定の大きさに制限するインピーダンスと、
前記起動信号が出力されているとき、前記燃料電池の正極と負極とを前記インピーダンスを介して接続するスイッチ回路とを含む、請求項1または2に記載の燃料電池発電装置。 - 前記インピーダンスは、前記燃料電池を外部から昇温する発熱体である、請求項3に記載の燃料電池発電装置。
- 前記燃料電池は、固体高分子電解質型燃料電池である、請求項1から4のいずれか1項に記載の燃料電池発電装置。
- 前記電力変換回路は、前記燃料電池が発生する直流電圧を交流電圧に変換して出力するインバータ回路である、請求項1から5のいずれか1項に記載の燃料電池発電装置。
- 前記電力変換回路は、前記燃料電池が発生する直流電圧を所定の直流電圧に変換して出力するコンバータ回路である、請求項1から5のいずれか1項に記載の燃料電池発電装置。
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