JPH0689734A - 燃料電池発電装置の電磁弁駆動回路 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】バッテリ−容量が小さく、従って小型化，軽量
化された電磁弁駆動回路を備えた燃料電池発電装置を得
ることにある。 【構成】発電運転の停止時に反応ガスを不活性ガスに切
り換える電磁弁１１を定挌駆動電圧で駆動する直流電源
１の出力電圧Ｖo が喪失したとき、直流電源により定挌
駆動電圧にあらかじめ充電されるコンデンサ３１の放電
電荷によって電磁弁を駆動する初期駆動回路３０と、直
流電源により定挌駆動電圧より低いエコノミ−駆動電圧
にあらかじめ充電されるバッテリ−４１の放電により電
磁弁の姿勢を所定時間保持する駆動保持回路４０とを電
磁弁駆動回路が備える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、燃料電池発電装置に
おいて、反応ガスを不活性ガスに切り換えてガスパ−ジ
を行う電磁弁駆動回路の改善に関する。

【０００２】

【従来の技術】図６は燃料電池発電装置の要部を模式化
して示す構成図であり、例えばりん酸型燃料電池１０は
電解質としてのりん酸を保持したマトリックスを挟んで
燃料電極および酸化剤電極を配した単電池の積層体から
なり、各単電池の燃料電極には弁１２Ａ，１２Ｂ，およ
び燃料ガス通路を介して燃料ガスを，酸化剤電極には弁
１３Ａ，１３Ｂ，および酸化剤通路を介して酸化剤とし
ての空気を供給することにより、一対の電極間で電気化
学反応に基づく発電が行われ、発電電力が外部負荷に供
給されるとともに、各単電池の温度を図示しない冷却装
置により１９０°C 程度に保持して発電運転が行われ
る。

【０００３】また、燃料電池１０の運転を停止するため
に負荷回路の電流を遮断すると、各単電池には高い値の
高温開回路電圧が発生し、電極触媒粒子が粗大化して電
極表面積が低下する劣化現象（シンタリングと呼ぶ）
や、電池温度の低下とともに反応ガス（燃料ガスおよび
反応空気）中の水分を吸収してりん酸が希釈され、体積
膨張したりん酸液がマトリックスから電極側に過度に染
み出して反応ガスの供給障害を起こす等の悪影響が発生
する。そこで、これらの悪影響を回避するために、運転
の停止に際して反応ガスを乾燥した窒素ガスのような不
活性ガスに置換するガスパ−ジを行う必要があり、この
ため燃料ガスおよび酸化剤の入口側には窒素ガス供給用
の電磁弁１１が設けられ、燃料電池１０の運転停止に際
して負荷電流を遮断し、反応ガスの供給を停止するとと
もに、電磁弁１１を開いて不活性ガス側に切り換え、燃
料電池１０の内部の反応ガスを乾燥した窒素ガスに置換
するガスパ−ジが行われる。なお、燃料ガスに燃料改質
器で生成した改質ガスを使用する場合には、燃料改質器
を含めてガスパ−ジを行い、可燃性ガスをパ−ジするこ
とにより停止中の発電装置の安全性を保持するよう構成
される。

【０００４】図７は燃料電池発電装置における従来の電
磁弁駆動回路を示す接続図である。図において、電磁弁
駆動回路には、配電系統からの交流入力を直流定挌駆動
電圧例えばＶo ＝２４Ｖに変える直流電源１が設けら
れ、その出力電圧Ｖo を制御部２の切換え指令により開
閉する接点２ａおよび逆阻止ダイオ−ド２Ｄを介して電
磁弁１１の駆動コイルに印加し、電磁弁１１を開くこと
により不活性ガスとしての窒素を燃料電池１０に供給
し、反応ガスを窒素ガスに置換するガスパ−ジが行われ
る。また、第１のリレ−３のコイルが定挌駆動電圧Ｖo
により励磁されてそのａ接点３ａが閉じ、第１のコンデ
ンサ４がＶo に充電され、さらに直列抵抗６Ｒおよび逆
阻止ダイオ−ド６Ｄを介してバッテリ−６が電圧Ｖo に
充電され、配電系統の停電等に起因する直流電源１の出
力電圧Ｖo の喪失に対して電磁弁駆動回路が待機状態と
なる。

【０００５】一方、配電系統の停電などにより直流電源
１の出力電圧Ｖo が喪失すると、発電装置の制御部２や
ブロワ，ポンプ，電磁弁などの補機が停止するため、発
電装置は停止状態となり、突発的にガスパ−ジが必要に
なる。この時、電圧Ｖo の喪失により第１のリレ−コイ
ル３の励磁が解かれ、そのａ接点３ａが開くとともに、
そのｂ接点３ｂが閉じ、これに直列接続された第２のリ
レ−コイル５があらかじめＶo に充電されている第１の
コンデンサ４の放電電流Ｉc4により励磁される。第２の
リレ−のａ接点５ａはあらかじめ電圧Ｖo に充電されて
いるバッテリ−６の出力側と電磁弁１１のコイルとの間
に逆阻止ダイオ−ド１１Ｄを介して接続されており、第
２のリレ−のａ接点５ａが第１のコンデンサ４の放電時
定数によって決まる短時間閉じるので、この間に電磁弁
１１がバッテリ−６の充電電圧Ｖo により駆動され、燃
料電池１０に供給されていた反応ガスが不活性ガスに切
換えられ、ガスパ−ジが開始される。

【０００６】また、ａ接点５ａの負荷側にはオフリレ−
タイマ８のコイルがバッテリ−６に対して並列に接続さ
れ、これと並列にリレ−タイマ８のａ接点８ａと第３の
リレ−７のコイルとの直列回路が接続され、さらにａ接
点５ａと並列に第３のリレ−のａ接点７ａが接続されて
おり、オフリレ−タイマ８にガスパ−ジ操作に要する時
間をあらかじめ設定しておくことにより、ａ接点５ａが
閉じるとオフリレ−タイマ８が時間のカウントを開始す
ると同時にそのａ接点８ａが閉じ、第３のリレ−７のコ
イルが励磁され、そのａ接点７ａが閉じて電磁弁１１の
コイルを励磁状態に自己ホ−ルドするので、リレ−タイ
マ８の設定時間中窒素ガスによる反応ガスのパ−ジが行
われる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】従来の電磁弁駆動回路
では、直流電源１の出力喪失時における電磁弁の駆動
を、ガスパ−ジ期間中電磁弁１１にその定挌駆動電圧を
印加して行うよう構成されている。電磁弁は一般に、そ
の投入動作時には磁気回路の抵抗が高く、例えば２４Ｖ
の定挌駆動電圧を印加して投入する必要があるが、投入
動作を終了してその姿勢を維持する保持期間中は磁気回
路の抵抗が低下する。従って、保持期間中も定挌駆動電
圧を印加する従来の電磁弁駆動回路においては、保持期
間中電磁弁コイルに流れる電流が大きくなり、これに対
応して大きな容量のバッテリ−６を必要とするため、電
磁弁駆動回路が大型化，高重量化するという問題があっ
た。

【０００８】この発明の目的は、バッテリ−容量が小さ
く、従って小型化，軽量化された電磁弁駆動回路を備え
た燃料電池発電装置を得ることにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、この発明によれば、単電池の積層体からなり、電解
質層を挟持する燃料電極および酸化剤電極に反応ガス通
路を介して反応ガスを供給することにより発電する燃料
電池が、その発電運転の停止時に前記反応ガスを不活性
ガスに切り換える電磁弁と、交流配電系統に接続されて
前記電磁弁に定挌駆動電圧を供給する直流電源とを備え
た燃料電池発電装置において、前記直流電源により定挌
駆動電圧にあらかじめ充電されるコンデンサを含み、前
記直流電源の電圧喪失に際して前記コンデンサの放電電
荷によって前記電磁弁を駆動する初期駆動回路と、前記
直流電源により定挌駆動電圧より低いエコノミ−駆動電
圧にあらかじめ充電されるバッテリ−を電源として駆動
した前記電磁弁の姿勢を所定時間保持する駆動保持回路
とを備え、前記初期駆動回路および駆動保持回路がそれ
ぞれ逆阻止ダイオ−ドを介して前記電磁弁に接続されて
なるものとする。

【００１０】また、初期駆動回路および駆動保持回路
が、直流電源の出力電圧の喪失を検知して始動指令接点
信号を出力する始動指令回路と、エコノミ−駆動電圧を
電源とし前記始動指令接点信号にトリガ−されて所定時
間オンとなる駆動指令接点信号を発する駆動指令回路に
よりほぼ同時に駆動されるよう形成してなるものとす
る。

【００１１】さらに、始動指令回路が、直流電源の出力
定挌駆動電圧を検知してオン状態となる第１のリレ−の
ａ接点を介して前記定挌駆動電圧に充電される第１のコ
ンデンサと、前記第１のリレ−のｂ接点を介して前記第
１のコンデンサに並列接続された第２のリレ−とからな
り、第２のリレ−のａ接点が駆動保持回路のバッテリ−
と電磁弁との間に接続されてなるものとする。

【００１２】さらにまた、駆動指令回路が、駆動保持回
路側の第２のリレ−のａ接点を介してバッテリ−に並列
接続されたリレ−タイマと、その接点を介してリレ−タ
イマに並列接続された第３のリレ−と、前記第２のリレ
−のａ接点に並列接続された第３のリレ−のａ接点、お
よび初期駆動回路側の第２のコンデンサと電磁弁との間
に接続された第３のリレ−のａ接点とからなり、前記第
３のリレ−のａ接点信号に基づき定挌駆動電圧をエコノ
ミ−駆動電圧の立ち上がり部分に重畳して出力し、電磁
弁を駆動するよう形成してなるものとする。

【００１３】

【作用】この発明の構成において、発電運転の停止時に
反応ガスを不活性ガスに切り換える電磁弁と、交流配電
系統に接続されて電磁弁に定挌駆動電圧を供給する直流
電源とを備えた燃料電池発電装置において、直流電源に
より定挌駆動電圧にあらかじめ充電されるコンデンサの
放電電荷によって電磁弁を駆動する初期駆動回路と、直
流電源により定挌駆動電圧より低いエコノミ−駆動電圧
にあらかじめ充電されるバッテリ−を電源として駆動し
た電磁弁の姿勢を所定時間保持する駆動保持回路とを含
む電磁弁駆動回路を設けるよう構成したことにより、直
流電源の喪失に際して、例えば２４Ｖの定挌駆動電圧を
必要とする電磁弁の駆動は、直流電源により定挌駆動電
圧にあらかじめ充電された初期駆動回路のコンデンサの
放電電荷を約２００ms放電することにより達成でき、そ
の後の電磁弁の駆動保持は例えば１２Ｖのエコノミ−駆
動電圧にあらかじめ充電された駆動保持回路のバッテリ
−により維持できる。従って、バッテリ−容量を従来の
１／４程度に低減し、電磁弁駆動回路を小型化，軽量化
する機能が得られる。

【００１４】また、直流電源の出力電圧の喪失を検知し
て始動指令接点信号を出力する始動指令回路、例えば直
流電源の出力定挌駆動電圧を検知してオン状態となる第
１のリレ−のａ接点を介して定挌駆動電圧に充電される
第１のコンデンサと、第１のリレ−のｂ接点を介して第
１のコンデンサに並列接続された第２のリレ−とからな
り、第２のリレ−のａ接点が駆動保持回路のバッテリ−
と電磁弁との間に接続されてなるものと、エコノミ−駆
動電圧を電源とし始動指令接点信号にトリガ−されて所
定時間オンとなる駆動指令接点信号を発する駆動指令回
路、例えば駆動保持回路側の第２のリレ−のａ接点を介
してバッテリ−に並列接続されたリレ−タイマと、その
接点を介してリレ−タイマに並列接続された第３のリレ
−と、第２のリレ−のａ接点に並列接続された第３のリ
レ−のａ接点、および初期駆動回路側の第２のコンデン
サと電磁弁との間に接続された第３のリレ−のａ接点と
からなるものとにより、初期駆動回路および駆動保持回
路をほぼ同時に駆動するよう構成すれば、初期駆動回路
のコンデンサの放電電圧が駆動保持回路のバッテリ−電
圧にまで低下した時点で、電磁弁はエコノミ−駆動電圧
による駆動保持状態に自動的に移行することになり、始
動指令回路および駆動指令回路の構成を従来のそれと同
等に保持した状態で、駆動動作から保持動作への切換え
を円滑に行う機能が得られる。

【００１５】

【実施例】以下、この発明を実施例に基づいて説明す
る。図１はこの発明の実施例になる燃料電池発電装置の
電磁弁駆動回路を示す接続図、図２は実施例における電
磁弁駆動動作を示す状態図、図３は実施例における電磁
弁の駆動保持動作を示す状態図、図４は実施例における
電磁弁の駆動保持動作の終了状態を示す状態図、図５は
実施例における一連の動作を示すタイムチャ−トであ
り、以下従来技術と同じ構成部分には同一参照符号を付
すことにより、重複した説明を省略する。図１におい
て、電磁弁駆動回路は、直流電源１により定挌駆動電圧
Ｖo ＝２４Ｖにあらかじめ充電される第２のコンデンサ
３１を含み、その放電電荷によって電磁弁１１を駆動す
る初期駆動回路３０と、直流電源１により定挌駆動電圧
より低いエコノミ−駆動電圧Ｖb ＝１２Ｖにあらかじめ
充電されるバッテリ−４１を電源とし、その放電電流に
より電磁弁１１をその駆動状態に所定時間保持する駆動
保持回路４０とを備える。

【００１６】また、電磁弁駆動回路は、直流電源１の出
力電圧の喪失を検知して始動指令接点信号を出力する始
動指令回路、例えば直流電源の出力定挌駆動電圧Ｖo を
検知してオン状態となる第１のリレ−３のａ接点３ａを
介して定挌駆動電圧に充電される第１のコンデンサ４
と、第１のリレ−のｂ接点３ｂを介して第１のコンデン
サに並列接続された第２のリレ−５とからなり、第２の
リレ−のａ接点５ａが駆動保持回路４０のバッテリ−４
１と電磁弁１１との間に接続された始動指令回路２０
と、エコノミ−駆動電圧を電源とし始動指令接点信号に
トリガ−されて所定時間オンとなる駆動指令接点信号を
発する駆動指令回路、例えば駆動保持回路４０側の第２
のリレ−のａ接点５ａを介してバッテリ−４１に並列接
続されたリレ−タイマ８と、その接点８ａを介してリレ
−タイマ８に並列接続された第３のリレ−７と、第２の
リレ−のａ接点５ａに並列接続された第３のリレ−のａ
接点７ａ、および初期駆動回路３０側の第２のコンデン
サ３１と電磁弁１１との間に接続されたａ接点７a2とか
らなる駆動指令回路５０とを備え、始動指令回路２０が
直流電源１の出力電圧Ｖo の喪失を検知し、駆動指令回
路５０が初期駆動回路３０のａ接点７ａ2 および駆動保
持回路４０側の接点５ａ，７ａをほぼ同時に閉じること
により、電磁弁１１が駆動される。

【００１７】すなわち、直流電源１が定挌駆動電圧Ｖo
＝２４Ｖを維持し、図６に示す燃料電池１０が発電運転
している状態（モ−ド１）では、図１に示すように接点
３ａが閉じて第１のコンデンサ４がＶc4＝２４Ｖに充電
されるとともに、第２のコンデンサ３１が充電抵抗３１
Ｒを介してＶc31 ＝２４Ｖに、定挌電圧１２Ｖのカドミ
ュウム電池等からなるバッテリ−４１が充電抵抗４１Ｒ
および逆阻止ダイオ−ド４１Ｄを介してＶb ＝１２Ｖに
それぞれ充電される。

【００１８】配電系統の停電等により補機が停止して燃
料電池１０への反応ガスの供給が遮断されるとともに、
直流電源１の出力電圧Ｖo が喪失すると、電磁弁駆動回
路は図２に示すように、第１のリレ−３が電圧の喪失を
検知して接点３ａが開くと同時に接点３ｂが閉じて第２
のリレ−５が動作し、そのａ接点５ａが閉じてバッテリ
−４１の充電電圧Ｖb ＝１２Ｖが逆阻止ダイオ−ド４０
Ｄを介して電磁弁１１に保持電圧として印加される。ま
た、接点５ａの閉路によってリレ−タイマ８がカウント
を開始してその接点８ａが閉じ、第３のリレ−７が動作
して接点７a2が閉じるので、第２のコンデンサ３１の充
電電圧Ｖc31 ＝２４Ｖが逆阻止ダイオ−ド３０Ｄを介し
て電磁弁１１に定挌駆動電圧として保持電圧に重畳して
印加される（この動作をモ−ド２と呼ぶ）。

【００１９】また、第１のコンデンサ４が放電によって
その充電電圧が低下すると、リレ−５の動作が停止し、
図３に示すように初期駆動回路３０側に配された接点５
ａが開くが、駆動指令回路５０側の第３のリレ−７の接
点７ａにより保持駆動回路４０が自己保持され、バッテ
リ−４１から電磁弁１１へのエコノミ−電圧Ｖb の供給
が持続する。従って、リレ−タイマ８にあらかじめ設定
する時間を、負活性ガスにより燃料電池中の反応ガスを
パ−ジするに要するｔ3 時間、例えば１０分間程度に設
定すれば、この間電磁弁１１を開状態に保持してガスパ
−ジを行うことができる（この状態をモ−ド３と呼
ぶ）。

【００２０】さらに、ｔ3 時間が経過した時点でタイマ
−リレ−８が停止し、その接点８ａが開くことにより第
３のリレ−７の接点７ａおよび７ａ2 が開くので、エコ
ノミ−駆動電圧Ｖb の供給は遮断され、電磁弁１１が閉
じることによりガスパ−ジが終了する（この状態をモ−
ド４と呼ぶ）。上述のように構成された電磁弁駆動回路
のモ−ド２においては、初期駆動回路３０および駆動保
持回路４０が殆ど同時に動作を開始するが、電圧の高い
初期駆動回路３０側の逆阻止ダイオ−ド３０Ｄが先に導
通するので、図５に示すように定挌駆動電圧２４Ｖに充
電された第２のコンデンサの充電電圧Ｖc31 が電磁弁１
１に印加され、電磁弁が開いて負活性ガスによるガスパ
−ジが開始される。次いでコンデンサの放電電圧Ｖc31
がバッテリ−４１の充電電圧Ｖb 以下に低下すると、逆
阻止ダイオ−ド４０Ｄが導通してエコノミ−駆動電圧Ｖ
b ＝１２Ｖにより電磁弁１１の開状態が保持されるモ−
ド３に瞬断を生ずることなく円滑に移行する。従って、
第２のコンデンサを新たに設ける必要は生ずるものの、
放電時間の長いバッテリ−４１の容量を従来のバッテリ
−６（図７参照）のそれの１／４程度に低減することが
可能になるので、全体として電磁弁駆動回路の小型化，
軽量化が可能となる。また、始動指令回路２０および駆
動指令回路５０の構成は従来の電磁弁駆動回路における
それとほとんと同じであり、装置の構成を複雑化するこ
となくモ−ド１ないしモ−ド４からなる一連の電磁弁駆
動操作を円滑に行える利点が得られる。

【００２１】

【発明の効果】この発明は前述のように、電磁弁駆動回
路を、定挌駆動電圧充電されるコンデンサにより電磁弁
を駆動する初期駆動回路と、エコノミ−駆動電圧に充電
されたバッテリ−により電磁弁の駆動状態を保持する駆
動保持回路とで構成した。その結果、定挌駆動電圧に充
電したバッテリ−を用いた従来の電磁弁駆動回路に比べ
てバッテリ−電圧および容量を大幅に低減することが可
能になり、その分電磁弁駆動回路が小型化，軽量化され
た燃料電池発電装置を経済的にも有利に提供することが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の実施例になる燃料電池発電装置の電
磁弁駆動回路を示す接続図

【図２】実施例における電磁弁駆動動作を示す状態図

【図３】実施例における電磁弁の駆動保持動作を示す状
態図

【図４】実施例における電磁弁の駆動保持動作の終了状
態を示す状態図

【図５】実施例における一連の動作を示すタイムチャ−
ト

【図６】燃料電池発電装置の要部を模式化して示す構成
図

【図７】燃料電池発電装置における従来の電磁弁駆動回
路を示す接続図

【符号の説明】

１ 直流電源 ２ 制御部 ３ 第１のリレ− ４ 第１のコンデンサ ５ 第２のリレ− ６ バッテリ− ７ 第３のリレ− ８ リレ−タイマ １０ 燃料電池 １１ 電磁弁 ２０ 始動指令回路 ３０ 初期駆動回路 ３０Ｄ 逆阻止ダイオ−ド ３１ 第２のコンデンサ ４０ 駆動保持回路 ４０Ｄ 逆阻止ダイオ−ド ４１ バッテリ− ４１Ｒ 充電抵抗

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】単電池の積層体からなり、電解質層を挟持
   する燃料電極および酸化剤電極に反応ガス通路を介して
   反応ガスを供給することにより発電する燃料電池が、そ
   の発電運転の停止時に前記反応ガスを不活性ガスに切り
   換える電磁弁と、交流配電系統に接続されて前記電磁弁
   に定挌駆動電圧を供給する直流電源とを備えた燃料電池
   発電装置において、前記直流電源により定挌駆動電圧に
   あらかじめ充電されるコンデンサを含み、前記直流電源
   の電圧喪失に際して前記コンデンサの放電電荷によって
   前記電磁弁を駆動する初期駆動回路と、前記直流電源に
   より定挌駆動電圧より低いエコノミ−駆動電圧にあらか
   じめ充電されるバッテリ−を電源として駆動した前記電
   磁弁の姿勢を所定時間保持する駆動保持回路とを備え、
   前記初期駆動回路および駆動保持回路がそれぞれ逆阻止
   ダイオ−ドを介して前記電磁弁に接続されてなることを
   特徴とする燃料電池発電装置の電磁弁駆動回路。
2. 【請求項２】初期駆動回路および駆動保持回路が、直流
   電源の出力電圧の喪失を検知して始動指令接点信号を出
   力する始動指令回路と、エコノミ−駆動電圧を電源とし
   前記始動指令接点信号にトリガ−されて所定時間オンと
   なる駆動指令接点信号を発する駆動指令回路とによりほ
   ぼ同時に駆動されるよう形成してなることを特徴とする
   請求項１記載の燃料電池発電装置の電磁弁駆動回路。
3. 【請求項３】始動指令回路が、直流電源の出力定挌駆動
   電圧を検知してオン状態となる第１のリレ−のａ接点を
   介して前記定挌駆動電圧に充電される第１のコンデンサ
   と、前記第１のリレ−のｂ接点を介して前記第１のコン
   デンサに並列接続された第２のリレ−とからなり、第２
   のリレ−のａ接点が駆動保持回路のバッテリ−と電磁弁
   との間に接続されてなることを特徴とする請求項１また
   は請求項２記載の燃料電池発電装置の電磁弁駆動回路。
4. 【請求項４】駆動指令回路が、駆動保持回路側の第２の
   リレ−のａ接点を介してバッテリ−に並列接続されたリ
   レ−タイマと、その接点を介してリレ−タイマに並列接
   続された第３のリレ−と、前記第２のリレ−のａ接点に
   並列接続された第３のリレ−のａ接点、および初期駆動
   回路側の第２のコンデンサと電磁弁との間に接続された
   第３のリレ−のａ接点とからなり、前記第３のリレ−の
   ａ接点信号に基づき定挌駆動電圧をエコノミ−駆動電圧
   の立ち上がり部分に重畳して出力し、電磁弁を駆動する
   よう形成してなることを特徴とする請求項１から請求項
   ３のいずれかに記載の燃料電池発電装置の電磁弁駆動回
   路。