JPH06267577A

JPH06267577A - 燃料電池の制御装置

Info

Publication number: JPH06267577A
Application number: JP5048911A
Authority: JP
Inventors: Takao Sato; 隆雄佐藤; Susumu Horiuchi; 進堀内
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1993-03-10
Filing date: 1993-03-10
Publication date: 1994-09-22
Anticipated expiration: 2014-07-12
Also published as: JP2918759B2

Abstract

(57)【要約】【目的】並列接続した複数の燃料電池スタックの各電
流を経時変化まで考慮して適正に自動的に制御して信頼
度を高める。【構成】コントロ−ラＣは並列接続した燃料電池スタ
ックＳ₁〜Ｓ_nの出力電流検出値をそれぞれ毎に別途設定
した目標値と比較して各スタックのガス供給弁Ｉ_A、Ｉ_B
を制御し、各燃料電池内のガス圧を適正化する。また、
酸化ガスＡや燃料ガスＢの濃度、温度等を制御する。さ
らに、上記目標値として二つのものを設定して通常は第
１の目標値により上記の制御を行い、燃料電池性能が劣
化した場合には第２の目標値により制御する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は炭化水素系の燃料を供給
して発電する燃料電池に関り、とくに燃料電池セルスタ
ックを並列接続して負荷に電力を供給する燃料電池の制
御装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】燃料電池は燃料と酸化剤との電気化学的
反応により直流電力を発電する。静止型で効率が高いこ
とが他の発電設備と大きく異なる点である。一般的に燃
料電池のセルスタックを並列接続して大容量化し、イン
バ−タにより直流を交流に変換して負荷に供給する。

【０００３】図１４は従来の燐酸型燃料電池装置のブロ
ック図である。燐酸型の燃料電池スタック１は燃料（水
素）と空気（酸化剤）の供給を受けて発電する。また、
改質器２は原料ガス（天然ガスなど）と水蒸気を加熱反
応して得られるＨ₂リッチな燃料ガスを燃料電池スタッ
ク１に燃料として供給し、ミキサ３は上記原料ガスと水
蒸気を混合し、加圧機７は上記空気を加圧する。燃料電
池スタック１が排気する水素を含む燃料排ガスは改質器
２に送られて燃焼され改質器２を所定の温度に加熱す
る。

【０００４】また、ポンプ８は燃料電池スタック１に冷
却水を供給して発電に伴う発熱を冷却する。この冷却水
は水蒸気ドラム４により蒸発されミキサ３に供給され
る。水蒸気ドラム４には起動用ヒ−タ６を設け、起動時
に冷却水を加温する。また、ヒ−タ６は後述の起動時調
整におけるダミ−ロ−ドとしても利用する。燃料電池ス
タック１の直流出力はインバ−タ５により交流に変換さ
れる。制御系９は上記交流出力の大きさ、有効電力等を
制御する。Ｃは燃料電池装置全体を制御する制御装置で
ある。

【０００５】図１５は燐酸型燃料電池の内部構造の一例
を示す斜視図である。触媒（白金）を付加した燃料電
極、電解質（燐酸）、触媒（白金）を付加した空気極の
サンドイッチ構造を１単位（セル）とし、セル電圧が低
いためこれを積層してスタック化する。しかし、図示の
ようにカ−ボンが主材料であるため機械的強度に限界が
あり積層数を無闇と大きくするできないので、複数のス
タックを直並列接続して大容量化している。

【０００６】また、上記スタックは内槽内に密閉され、
さらに内槽は窒素（Ｎ₂）等の不活性ガスを封止した外
槽内に収容され、内槽と外槽間の気圧差が所定範囲を超
えないようにしている。この場合、内外槽の圧力を大気
圧とほぼ等しくする常圧式と、大気圧以上にする加圧式
の２方式がある。また、セルの燃料極の一端から燃料が
供給され水素の略８０％をイオン化して消費し、他端よ
り排気される。同様に空気極の一端から空気が供給さ
れ、その中の酸素により上記水素イオンを酸化して水を
生成したのち他端より排気される。スタックは上記燃料
と空気の供給、排気用の４つのダクトを備え、燃料と空
気はスタック内の各セルに配分されている。

【０００７】図１６は上記燃料電池スタックの出力電圧
・電流特性であり、製作バラツキなどにより図示のよう
なバラツキを伴う。図１７は出力電圧の経時変化特性で
ある。経時変化特性は燃料供給量が同一であってもスタ
ックにより異なり、運転初期の電解質の馴染等により同
一ガス流、同一電流に対して電圧が一時的に増加した
り、単調減少したりする。また、その後は累積運転時間
に比例して電解質が飛散、減少したり、触媒が凝集した
りするので出力電圧は一様に減少する。

【０００８】このように出力電圧に多少のバラツキがあ
るので、電池を並列接続する場合には図１８に示すよう
に、各燃料電池スタックＳ１，Ｓ２等を逆流防止用のダ
イオ−ドＤ１，Ｄ２等を介して接続する。しかし、周知
のように並列接続の出力電圧は電圧が最も大きい燃料電
池スタックの電圧に固定されるので、出力電圧の低い電
池の電流が相対的に低くなって出力電流は主に出力電圧
の高い電池から供給されることになり、これに伴って当
該電池のガス消費量すなわちガス利用率が高まり、ガス
利用率が限度を越えると電極腐食が発生する。

【０００９】とくに燃料電池は図１９に示すように、ガ
ス利用率の所定範囲にて出力電圧がほとんど変化しない
ので上記の問題が発生しやすい。また、燃料電池スタッ
ク毎に改質器を備えたシステムでは上記電圧の低い電池
のガス利用率が低下する結果、改質器に戻る燃料排ガス
の燃料濃度が高くなって改質器温度が上昇するので電池
制御方法が複雑化する。特願昭５８−１４４９８９号に
は各電池の燃料、空気の流量を所定の出力電流比に応じ
て設定することが開示されている。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記特願昭５
８−１４４９８９号に開示の方法では、予め測定した各
燃料電池の出力特性よりそれぞれの出力電流比を決め、
これに応じてそれぞれの燃料、空気等の流量を設定する
ので、例えば経時変化や温度変化、その他の予測困難な
変化に対応できないという問題があった。本発明の目的
は、上記の問題を解決して、経時変化や温度変化、その
他の特性変動に拘りなく各燃料電池の出力電力や同電流
密度等を均一化することのできる燃料電池を提供するこ
とにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記課題を達成するため
に、各燃料電池スタックの出力電流とその出力電流指令
値とを比較して各燃料電池スタックの燃料ガスと空気の
圧力、および／または各燃料電池スタックの燃料ガスお
よび／または空気のガス濃度、および／または各燃料電
池スタックの温度制御手段を制御する。このため、各燃
料電池スタックの燃料ガスと空気の供給口と排出口に設
けた弁により上記圧力を制御したり、また、各燃料電池
スタックの冷却水の温度を制御したり、上記燃料ガスと
空気の濃度を上記ブロアにより制御するようにする。

【００１２】また、上記ガス濃度を各燃料電池スタック
の空気供給弁と、上記空気供給弁と並列に接続した酸素
濃縮手段により制御する。また、上記出力電流の第１の
目標値として総合の出力電流目標値に燃料電池スタック
全体の定格容量に対する当該燃料電池スタックの定格容
量比率を乗じたものを、また、第２の目標値として実際
の総合出力電流に燃料電池スタック全体の定格容量に対
する当該燃料電池スタックの定格容量比率を乗じたもの
設定する。

【００１３】また、上記第１の目標値により当該燃料電
池スタックの燃料ガスと空気の供給弁を制御し、第２の
目標値により当該燃料電池スタックの燃料ガスと空気の
排出口弁を制御する。また、上記出力電流目標値に合わ
せて設定した弁の開度を基準にして他方のガス流路の弁
の一つをガス流路間差圧が同許容値内に納まるように設
定し、さらに残る二つの弁を各ガスの流量設定値と上記
各ガス流路の流体抵抗値より制御したり、または各ガス
流路間の差圧許容値内に納まるように設定する。さら
に、燃料電池スタックの総合の出力電流値が所定値以下
となった場合には警報を発生する。

【００１４】

【作用】各燃料電池スタックの出力電流は上記燃料ガス
と空気の圧力、および／または各燃料電池スタックの燃
料ガスおよび／または空気のガス濃度、および／または
各燃料電池スタックの温度により制御される。上記圧力
は各燃料電池スタックの燃料ガスと空気の供給弁と排出
弁により制御される。また、上記ガス濃度は各燃料電池
スタックの空気供給弁と、これに並列接続した酸素濃縮
手段により制御される。

【００１５】また、各燃料電池スタックは通常上記第１
の目標値により制御され、電流出力能力が低下した場合
には第２の目標値により制御される。また、上記第１の
目標値により当該燃料電池スタックの燃料ガスと空気の
供給弁が制御され、第２の目標値により同排出弁が制御
される。また、上記出力電流目標値に合わせて設定した
一つの弁の開度を基準にして他方のガス流路の弁の一つ
がガス流路間差圧許容値内に設定され、残る二つの弁の
制御量が各ガスの流量設定値と上記各ガス流路の流体抵
抗値から算定され、また各ガス流路間の差圧許容値内に
設定される。

【００１６】

【実施例】本発明では燐酸型の燃料電池の出力電圧に影
響を与えるパラメ−タを制御して並列接続する各燃料電
池スタックの電流分担率を所定値に制御して平準化す
る。

【００１７】〔実施例１〕図１は燃料電池スタックに
供給する水素、空気等の圧力を制御する本発明による燃
料電池装置実施例の主要部を示すブロック図である。ｎ
個の燃料電池スタックＳ₁〜Ｓ_nには酸化剤供給端Ａから
それぞれ弁Ｉ_A1〜Ｉ _Anを介して空気（酸化剤）を供給し
弁Ｅ_A1〜Ｅ_Anを介して排気する。同様に燃料供給端Ｂか
らそれぞれ弁Ｉ_B1〜Ｉ_Bnを介して燃料ガス（Ｈ₂が含ま
れる）を供給し弁Ｅ_B1〜Ｅ_Bnを介して排気する。また、
弁Ｅ_A1〜Ｅ_Anからの排ガスは熱エネルギ−回収系に廻
し、弁Ｅ_B1〜Ｅ_Bnからの排ガスは改質器に送られその中
の残存燃料成分が利用される。

【００１８】燐酸型の燃料電池はセル内に供給される水
素が電離して発電し、電離した水素イオンは酸素と結合
して水に変わるので、出力電圧は図２に示すようにセル
を収容する内層内の燃料（水素）圧力に比例して増加
し、また、図３のように内層内の空気（酸素）圧力によ
っても増加する。また、出力電流はこの出力電圧に比例
する。しかし、上記燃料極と空気極間の差圧が過大にな
ると両極間にガスクロスが発生するので、この差圧が所
定限度を超えないようにして未イオン化ガスの直接酸化
反応を防止している。

【００１９】また、スタックの内槽と外槽間の差圧も所
定範囲を超えないようにして内外槽間のシ−ル部の破損
を防止している。燃料電池においては上記各圧力条件を
満たすようにして起動し、運転を継続する。図４は上記
起動時と起動後の燃料電池の操作手順図である。

【００２０】（起動時の制御）まず図５に示すフロ−チ
ャ−トを用いて、起動時の操作手順を外槽の圧力を大気
圧に保つ常圧式について説明する。まず、全ての弁を閉
じて改質器、各スタック及び冷却水系等を所定の温度に
昇温してから改質器２を起動し、次いで弁の操作により
燃料と空気を微量ずつ供給する。これにより出力電圧が
上昇し始めるので燃料弁と空気弁の開度を徐々に増加し
て出力電圧を所定値まで増加させる。

【００２１】次いで各スタックを並列接続してダミ−ロ
−ドを接続する。このとき、出力電圧が所定値以上であ
ればその時の燃料弁と空気弁の開度を記憶し、上記所定
値を下回る場合には当該スタックが異常と判定して警報
を発する。なお、外槽を大気圧より高く保つ加圧式で
は、外槽と燃料及び空気流路に不活性ガスを流して内外
槽を同時にほぼ同圧に加圧した後、上記と同一手順によ
り起動する。なお、上記各過程では各スタックに供給す
る燃料と空気間の差圧と内槽と外槽間の差圧をモニタし
ながら各差圧が所定値を超えないように燃料弁と空気弁
の開度と、図示を省略した外槽に上記不活性ガスを供給
する圧力調整弁とを調整する。

【００２２】（起動後の制御）起動後は経時変化や温度
変動、その他の原因により各スタックの出力電流が変化
する。このため、本発明では図１のように各スタックの
出力毎に電流検出器ＩＤ₁〜ＩＤ_nを接続して出力電流を
監視し、コントロ−ラＣにより各出力電流値から各弁の
開度信号を算出して各弁を制御するようにする。

【００２３】図６はスタックの燃料系と空気系の等価回
路である。空気系と燃料系内の各パラメ−タをサフィッ
クスＡと同Ｂにより区別している。すなわち、空気系の
入力圧力、及び入力弁Ｉ_A、スタックＳ、出力弁Ｅ_Aと排
気系の流体抵抗をそれぞれ、Ｐ_1A、Ｒ_IA、Ｒ_SA、Ｒ_EA、
Ｒ_OAとし、燃料系の入力圧力、及び入力弁、スタック、
出力弁と排気系の流体抵抗をそれぞれ、Ｐ_1B、Ｒ_IB、Ｒ
_SB、Ｒ_EB、Ｒ_OBとする。Ｒ_OAとＲ_OBは通常、他の抵抗に
比べて低い値なので無視し、また、リ−ク抵抗Ｒ_Lも無
視すると上記各圧力値は式（２）、（３）のようにな
る。

【００２４】Ｐ_2A＝Ｐ_1A（Ｒ_SA＋Ｒ_EA）／（Ｒ_IA＋Ｒ_SA＋Ｒ_EA）Ｐ_2B＝Ｐ_1B（Ｒ_SB＋Ｒ_EB）／（Ｒ_IB＋Ｒ_SB＋Ｒ_EB）（２）Ｐ_3A＝Ｐ_1AＲ_EA／（Ｒ_IA＋Ｒ_SA＋Ｒ_EA）Ｐ_3B＝Ｐ_1BＲ_EB／（Ｒ_IB＋Ｒ_SB＋Ｒ_EB）（３）

【００２５】図２、３に示したように、各スタックの出
力電圧は燃料または／および空気の圧力により制御する
ことができる。燃料圧力は上記Ｐ_2AとＰ_3Aの平均値であ
り、空気圧力は上記Ｐ_2BとＰ_3Bとの平均値である。した
がって、コントロ−ラＣは各スタックの出力電流検出値
より各スタック毎の４個の弁の開度を算出してそれぞれ
の流体抵抗値Ｒ_IA、Ｒ_EAとＲ_IB、Ｒ_EBを制御する。

【００２６】しかし、一般的にはｎ個のスタックＳ₁〜
Ｓ_nの出力電流（独立変数）より４ｎ個の弁の制御量
（従属変数）を決定することはできない。このため、本
発明ではＲ_IAとＲ_EA、およびＲ_IBとＲ_EB間の従属関係
や、Ｒ_IAとＲ_IB、およびＲ_EAとＲ_EB間の従属関係等を予
め定めておくようにする。例えば、スタックの内槽と外
槽間の差圧もモニタし、この差圧の許容値を設定して上
記Ｐ_2AまたはＰ_2Bの一方を外槽の内圧に固定する。

【００２７】次いで、出側の圧力Ｐ_3AとＰ_3Bは式
（４）、（５）のようになるので、流量Ｑ_AとＱ_Bをその
時点のスタック電流値に合わせて設定すれば、Ｐ_2AとＰ
_2Bの値よりＰ_3AとＰ_3Bの値が自動的に設定される。Ｐ_3A＝Ｐ_2A−Ｒ_SAＱ_A （４）Ｐ_3B＝Ｐ_2B−Ｒ_SBＱ_B （５）また、Ｐ_2AとＰ_2B間の差圧ΔＰ₂を差圧計によりモニタ
しこのΔＰ₂が所定値を超えないようにすれば、式
（６）よりＰ_2AとＰ_2Bの一方より他方を自動的に設定す
ることができる。Ｐ_2B＝Ｐ_2A±ΔＰ₂ （６）

【００２８】以上により、スタックの出力電流により例
えば入力弁の一つを制御すると、式（６）より他方の入
力弁が自動的に制御され、次いで式（４）、（５）にし
たがって二つの出力弁も自動的に制御されるようにする
ことができる。また、上記出力電流により制御する弁は
必ずしも入力弁の一つである必要はなく、４個の入出力
弁のいずれであってもよく、式（４）〜（６）より一つ
の制御により他の三つの制御量を自動的に決定すること
ができる。前記加圧式の場合は、出力電流を検出して内
槽圧力を制御し、この内槽圧力に従って外槽圧力を内外
槽間の差圧が所定値を超えないように制御する。また、
出力電流に基づいて外槽圧力を制御し、これに従って内
槽圧力を制御するようにしてもよい。

【００２９】図７は上記の関係を一般化したフロ−チャ
−トである。まず、上記４つの圧力Ｐ_2A、Ｐ_2B、Ｐ_3A、
Ｐ_3Bの中の一つ、例えばＰ₁を内槽と外槽間差圧の許容
値より決定し、次いで燃料流路と空気流路間の差圧許容
値より他の流路の圧力Ｐ₂を決定すると、その時点のス
タック電流値に合わせた流量値Ｑ₁、Ｑ２により各流路
の他端部の圧力Ｐ₃、Ｐ₄が決定される。その後は各出力
電流のバランス制御が加わり、上記の制御が繰返し実行
される。このため、図１に示したコントロ−ラＣは上記
内槽と外槽間差圧許容値、燃料流路と空気流路間の差圧
許容値、各流量値等を記憶し、各スタックの出力電流に
応じて上記の手順により各弁の制御信号を生成する。

【００３０】なお、各スタックの空気、燃料入出力端の
圧力を検出しても同様な制御を行うことができる。ま
た、上記の制御により上記Ｐ_2AとＰ_3A、およびＰ_2BとＰ
_3B等がそれぞれ所定幅内に落ち着くと空気と燃料間の差
圧が低くなるのでリ−ク抵抗Ｒ_Lは他の抵抗に比べて無
視することができる。

【００３１】〔実施例２〕本実施例は、スタックの劣
化によりその出力電流を目標値に維持できない場合の対
応策に関わる。まず、一般に各スタックの定格容量は等
しいとは限らないので、全体の定格容量に対する当該ス
タックの定格容量の比率を勘案してその出力電流の第１
の目標値を設定する。すなわち、上記第１の目標値をＩ
_Oとしてｉ番スタックの出力電流目標値Ｉ_Oiを式（７）
のように定義する。Ｉ_Oi＝Ｉ_O×（ｉ番目スタックの定格容量）／（全体の定格容量）（７）

【００３２】実際には経時的劣化などにより、各スタッ
クは上記出力電流目標値を流せなくなる事態が発生する
ので、上記Ｉ_Oを修正しながら運転を継続する必要が生
じる。本発明では、劣化の少ない時期には各スタックの
電流を上記Ｉ_Oiに一致させるように制御し、このＩ_Oiを
流せなくなった場合には実際の全出力電流より別途設定
した第２の目標値にしたがって制御する。

【００３３】上記ｉ番スタックの第２の目標値は、実際
の全出力電流をＩ_OOとして式（８）のＩ_imのように定義
する。このＩ_imは上記Ｉ_OOに定格容量比率を乗じたもの
であるからｉ番スタックの出力平均値と呼ぶことにす
る。Ｉ_im＝Ｉ_OO×（ｉ番目スタックの定格容量）／（全体の定格容量）（８）

【００３４】図８は上記制御のブロック図である。ｉ番
スタックの出力設定値に応じた関数発生器ＦＧ₁の出力
と関数発生器ＦＧ₃を介したｉ番スタックの出力電流Ｉ
ｉとの差分信号をＰＩＤ₁（従来の定常偏差をなくすた
めの比例、積分、微分演算器）を通して弁Ｉ_AiとＩ_Biに
印加し、その開度を制御する。上記制御信号に対する入
力弁Ｉ_AiとＩ_Biの応答を異ならせる場合には例えばＰＩ
Ｄ₁の出力を適宜分岐して所定の係数（関数）を乗じた
後、弁Ｉ_AiとＩ_Biにそれぞれ印加する。

【００３５】また、図８では省略されているものの、上
記弁Ｉ_AiとＩ_Biの開度に応じて内槽と外槽間の差圧が変
化するので、実施例１と同様にしてこの差圧が所定値内
に納まるように制御する。また、空気と燃料の出力弁Ｅ
_AiとＥ_Biを平均出力電流Ｉ_imにより同様に制御する。ｉ
番スタックが上記目標値Ｉ_Oiを出力できる場合にはＩ_Oi
と平均出力電流Ｉ_imの値は一致する。しかし、スタック
の経時的劣化が過大になると上記Ｉ_imがＩ_Oiに追いつか
なくなる。

【００３６】このＩ_imの低下に応じて制御は内槽圧力を
増加するように働くので、出力弁Ｅ_AiとＥ_Biの開度が減
少する。この結果、流量が不足し始めるので入力弁を開
く必要が生じる。このため、コントロ−ラＣは入力弁の
開度を漸増して空気と燃料ガスの流量値Ｑ₁、Ｑ₂が初期
設定値になるようにする。このとき、各弁は式（４）〜
（６）にしたがって再調整される。このため、コントロ
−ラＣに上記Ｉ_imと入力弁の開度との対応表を記憶させ
て上記修正を行うようにすることもできる。また、上記
Ｑ₁とＱ２が所定限度を超えた場合には警報を発するよ
うにする。

【００３７】上記経時的劣化は手動調整により補正する
こともできる。すなわち、上記Ｉ_imがＩ_Oiに追いつかな
くなった場合、コントロ−ラＣは再調整表示信号を発生
し、これに応じてオペレ−タは各スタックの弁を調整し
て目標値Ｉ_Oiを適宜低下させる。

【００３８】図９は上記図８において入力弁Ｉ_AiとＩ_Bi
の前にリミッタＬＭＩを設けてそれぞれの制御値を制限
するようにした本発明実施例のブロック図である。空気
極と燃料極間の差圧が過大になると量極間のガスのブレ
−クスル−が発生するので、空気、及び燃料供給口間の
差圧値ｄｐにより上記リミッタＬＭＩの制限値を設定し
てスタックｉの空気極と燃料極間の差圧が所定値を超え
ないようにする。

【００３９】〔実施例３〕燐酸型燃料電池の出力電圧
は図２、３に示したように、水素や酸素の濃度に応じて
変化するので、燃料ガス中の水素濃度や空気中の酸素濃
度を制御して各スタックの出力電流を制御することがで
きる。図１０は上記の濃度制御を行う本発明実施例の構
成図である。スタックＳｉに供給される空気と燃料の一
部は余剰ガスとして排気されるので、それぞれを循環用
のブロアＢＬ₁及びＢＬ₂により入力側に戻してスタック
Ｓｉ内のガスの濃度を制御し、出力電流を制御する。

【００４０】ブロアＢＬ₁とＢＬ₂の回転数により各混合
比が変化するので、スタックＳ_iの出力電流をブロアＢ
Ｌ₁とＢＬ₂の回転数により制御することができる。例え
ば、スタックＳ_iの出力電流を実施例２にて説明した目
標値Ｉ_OiやＩ_im等と比較して得られる誤差信号によりブ
ロアＢＬ₁とＢＬ₂の回転数を制御するようにする。ま
た、上記ブロアＢＬ₁とＢＬ₂の一方を省略して他方のみ
を制御するようにすることもできる。

【００４１】図１１は上記ブロアＢＬ₂を省略した場合
の一例を示すブロック図である。加圧機７より送られた
空気の一部は例えばセルロ−ス系酸素分離膜を用いたガ
ス濃縮装置Ｅ₁により酸素濃度を濃縮されて弁Ｉ_A1を介
して送られる空気に混合されスタックＳ₁に供給され
る。他のスタックに付いても同様である。コントロ−ラ
Ｃにより実施例１、２と同様にして各弁Ｉ_Aを制御する
と、各スタックの酸素濃度が変化するのでそれぞれの出
力電流を同様に制御することができる。

【００４２】上記酸素濃度変化に対するスタックの出力
電圧感度が高いので各ガス濃縮装置とブロアを小型化す
ることができる。また、燃料供給系に同様な燃料ガス濃
縮手段を設けて同様に制御するようにしてもよい。ま
た、例えばＮ₂やＣＯ₂などを外部より燃料や空気に混合
して供給し、その混合比制御により出力電流を制御する
こともできる。

【００４３】〔実施例４〕また、燐酸型燃料電池の出
力電圧は図１２のようにセル温度に応じて変化するの
で、スタックの冷却水の温度を制御することによりその
出力電流を制御することができる。図１３は上記温度制
御を行う本発明実施例の構成図である。スタックＳ_iの
冷却水の温度がポンプ８の回転数および／またはファン
Ｆの回転数により変化するので、これらの回転数により
スタックＳ_iの出力電流を制御することができる。

【００４４】例えば、スタックＳ_iの出力電流を実施例
２にて説明した目標値Ｉ_OiやＩ_im等と比較して得られる
誤差信号によりポンプ８および／またはファンＦの回転
数を制御するようにする。また、ポンプ８の入り口で温
度の異なる冷却水を混入し、その量の制御によりスタッ
ク温度を制御することもできる。

【００４５】なお、上記本発明の各実施例では空気、燃
料ガス等の圧力、濃度、温度等を別個に制御する方法に
ついて説明したが、これらの制御対象を組み合わせて制
御するようにしてもよいことは勿論である。

【００４６】

【発明の効果】本発明により、並列接続した各燃料電池
スタックの電流をそれぞれの定格値に適合するように制
御して負荷配分を適正化することができる。また、経時
変化により各燃料電池スタックの負荷能力が低下した場
合にも、同様にして負荷配分を適正化することができ
る。また、上記負荷配分を自動的に行って燃料電池装置
を大容量化してメインテナンスを効率化すると同時に信
頼度を高めることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による並列接続した複数の燃料電池スタ
ックの制御系統図である。

【図２】燐酸型燃料電池セルの水素圧力対出力電圧特性
である。

【図３】燐酸型燃料電池セルの酸素圧力対出力電圧特性
である。

【図４】本発明における燐酸型燃料電池装置の全般的な
制御フロ−チャ−トである。

【図５】本発明における燐酸型燃料電池装置の起動時の
制御フロ−チャ−トである。

【図６】燃料電池スタックのガス系統の等価回路であ
る。

【図７】本発明における燃料電池スタックのガス入出力
部圧力設定方法のフロ−チャ−トである。

【図８、９】本発明における燃料電池スタックのガス入
出力弁の制御ブロック図である。

【図１０、１１】本発明による燃料電池スタックのガス
濃度制御方法を示すブロック図である。

【図１２】燐酸型燃料電池セルのセル温度対出力電圧特
性である。

【図１３】本発明による燃料電池スタックの温度制御方
法を示すブロック図である。

【図１４】従来の燃料電池スタックの制御システム図で
ある。

【図１５】燐酸型燃料電池スタックの内部構成を示す斜
視図である。

【図１６】燐酸型燃料電池セルの出力特性である。

【図１７】燐酸型燃料電池セル出力電圧の経時変化特性
である。

【図１８】従来の燃料電池スタックの接続図である。

【図１９】燐酸型燃料電池セル出力電圧対ガス利用率特
性である。

【符号の説明】

Ｓ…燃料電池スタック、Ｃ…コントロ−ラ、Ａ…空気、
Ｂ…燃料ガス、Ｄ₁…ダイオ−ド、Ｉ_A…空気の入力弁、
Ｉ_B…燃料ガスの入力弁、Ｅ_A…空気の出力弁、Ｅ_B…燃
料ガスの出力弁、ＩＤ…電流検出器、ＢＬ…ブロア、８
…ポンプ、Ｆ…ファン、Ｈｘ…熱交換器、ＦＧ…関数発
生器、ＰＩＤ…比例、積分、微分演算器。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】燃料ガスと空気を供給して発電する燃料
電池スタックの複数を並列接続した燃料電池の制御装置
において、各燃料電池スタックの出力電流検出手段と、
各燃料電池スタックの出力電流指令値発生手段と、各燃
料電池スタックの燃料ガスと空気の圧力制御手段、およ
び／または各燃料電池スタックの燃料ガスおよび／また
は空気のガス濃度制御手段、および／または各燃料電池
スタックの温度制御手段と、出力電流制御手段とを設
け、上記出力電流制御手段は各燃料電池スタックの出力
電流検出手段の出力と出力指令値と比較して得られる信
号により当該燃料電池スタックの燃料ガスと空気の圧力
制御手段、および／または燃料ガスおよび／または空気
のガス濃度制御手段、および／または温度制御手段を制
御するようにしたことを特徴とする燃料電池の制御装
置。
【請求項２】請求項１において、上記圧力制御手段
を、各燃料電池スタックの燃料ガスと空気の供給口と排
出口に設けた制御弁としたことを特徴とする燃料電池の
制御装置。
【請求項３】請求項１または２において、上記温度制
御手段を各燃料電池スタックの冷却水の温度を制御する
手段としたことを特徴とする燃料電池の制御装置。
【請求項４】請求項１ないし３のいずれかにおいて、
上記ガス濃度制御手段を各燃料電池スタックの燃料ガス
と空気の供給口と排出口間に設けたブロアとしたことを
特徴とする燃料電池の制御装置。
【請求項５】請求項１ないし３のいずれかにおいて、
上記ガス濃度制御手段を各燃料電池スタックの空気供給
口に設けた制御弁と、上記空気供給口の制御弁と並列に
接続した酸素濃縮手段により構成したことを特徴とする
燃料電池の制御装置。
【請求項６】請求項１ないし３のいずれかにおいて、
上記ガス濃度制御手段を各燃料電池スタックの空気およ
び／または燃料ガスの排気をそれぞれの供給口に戻して
混合する手段としたことを特徴とする燃料電池の制御装
置。
【請求項７】請求項１ないし６のいずれかにおいて、
上記出力電流指令値発生手段は、各燃料電池スタックを
並列接続した総合の出力電流目標値に燃料電池スタック
全体の定格容量に対する当該燃料電池スタックの定格容
量比率を乗じたものを各燃料電池スタックの第１の目標
値として発生するようにしたことを特徴とする燃料電池
の制御装置。
【請求項８】請求項７において、上記出力電流指令値
発生手段は、上記各目標値の他に、各燃料電池スタック
を並列接続した燃料電池の実際の総合出力電流に燃料電
池スタック全体の定格容量に対する当該燃料電池スタッ
クの定格容量比率を乗じたものを各燃料電池スタックの
第２の目標値として発生するようにとしたことを特徴と
する燃料電池の制御装置。
【請求項９】請求項８において、上記出力電流制御手
段は上記第１と第２の目標値により各燃料電池スタック
の出力電流を制御するようにしたことを特徴とする燃料
電池の制御装置。
【請求項１０】請求項９において、上記出力電流制御
手段は上記第１の目標値により当該燃料電池スタックの
燃料ガスと空気の供給弁を制御し、第２の目標値により
当該燃料電池スタックの燃料ガスと空気の排出弁を制御
するようにしたことを特徴とする燃料電池の制御装置。
【請求項１１】請求項１ないし９のいずれかにおい
て、上記出力電流制御手段は、燃料電池スタックの燃料
ガスと空気の供給弁または同排出弁の中の一つの開度を
当該燃料電池スタックの出力電流目標値に合わせて設定
する手段と、上記二つのガス流路間の差圧検出手段なら
びにその差圧許容値設定手段と、上記各ガスの流量値設
定手段とを備え、上記出力電流目標値に合わせて設定し
た弁の開度を基準にして他方のガス流路の弁の中の一つ
の開度を上記各ガス流路間の差圧検出値と同差圧許容値
との比較により設定し、また、上記各ガスの流量設定値
と上記各ガス流路の流体抵抗値とより他の二つの弁の開
度を制御するようにしたことを特徴とする燃料電池の制
御装置。
【請求項１２】請求項１ないし９のいずれかにおい
て、上記出力電流制御手段は、燃料電池スタックの燃料
ガスと空気の供給弁または同排出弁の中の一つの開度を
当該燃料電池スタックの出力電流目標値に合わせて設定
する手段と、上記各ガス流路間の差圧検出手段ならびに
その差圧許容値設定手段と、上記各ガス流路の少なくと
も一方の供給・排出口間の差圧検出手段ならびにその差
圧許容値設定手段量値設定手段とを備え、上記出力電流
目標値に合わせて設定した弁の開度を基準にして他方の
ガス流路の弁の中の一つの開度を上記各ガス流路間の差
圧検出値と同差圧許容値とを比較して設定し、また、他
の二つの弁の開度を上記ガス流路の供給・排出口間の差
圧検出値とその差圧許容値との比較により制御するよう
にしたことを特徴とする燃料電池の制御装置。
【請求項１３】請求項１ないし１２のいずれかにおい
て、上記並列接続した燃料電池スタックの総合の出力電
流値が所定値以下となった場合に警報を発生する手段を
備えたことを特徴とする燃料電池の制御装置。