JPH09147893A - 燃料電池発電装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 負荷増大直後の過渡状態時にガス流量を増大
させ、負荷変動時の燃料ガスおよび反応空気を十分に供
給して、安定な運転制御を実現した燃料電池発電装置を
得る。 【解決手段】 燃料電池に燃料ガスおよび反応空気を供
給する燃料供給系および空気供給系と、燃料電池の出力
電力を外部負荷に供給する電力変換系と、燃料電池の出
力電流Ｉおよび出力電圧Ｖを検出する手段と、負荷増大
に応じた指令信号および検出手段からの情報に応答し
て、燃料供給系、空気供給系および電力変換系を制御す
る制御系とを備え、制御系は、出力電流から規定流量Ｑ
Ｇ１およびＱＡ１を設定する手段と、指令信号に応答し
て補正流量ＱＧ２およびＱＡ２を設定する手段とを含
み、補正流量設定手段は、指令信号の発生から所定時間
τにわたって、規定流量よりも所定量だけ多くなるよう
に補正流量を設定する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、燃料電池の出力
電流および出力電圧に基づいて燃料ガスおよび反応空気
の流量を制御する燃料電池発電装置に関し、特に負荷変
化や経時変化等に影響されることなく、常に安定した運
転制御が可能な燃料電池発電装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】図９はたとえば特開平３−１２２９７１
号公報に記載された一般的な燃料電池発電装置を示す概
略構成図である。図において、出力電圧Ｖと出力電流Ｉ
との積からなる出力電力Ｐを発生する燃料電池１は、燃
料ガスＧおよび反応空気Ａの供給量に応じた電力を出力
する電池の積層体からなり、改質された燃料ガスＧが供
給される燃料極１ａと、反応空気Ａが供給される空気極
すなわち酸化剤極１ｂと、燃料極１ａおよび酸化剤極１
ｂの間に介在された電解質１ｃとから構成されている。

【０００３】燃料電池１に反応空気Ａを供給する空気供
給系３は、大気中の空気を吸入するブロワにより構成さ
れ、反応空気Ａとして燃料電池１に向けて送風する。電
力変換系４は、燃料電池１からの直流の出力電力Ｐを外
部負荷１１に対応した交流電力Ｐａに変換し、交流変換
後の出力電流Ｉａおよび出力電圧Ｖａを外部負荷１１に
供給する。

【０００４】燃料電池１の出力端子には、出力電流Ｉお
よび出力電圧Ｖを検出して検出情報として出力するセン
サ（図示せず）が設けられている。同様に、電力変換系
４の出力端子には、出力電力Ｐａを検出する電力センサ
（図示せず）が設けられている。また、燃料ガスＧの流
量ＱＧおよび反応空気Ａの流量ＱＡをフィードバック制
御するために、各流量情報を検出して制御系５に出力す
る流量センサ（図示せず）が設けられている。

【０００５】外部負荷１１に対する供給電力を決定する
制御系５は、センサにより検出された出力電流Ｉおよび
出力電圧Ｖと、外部負荷１１の変化に応じた所要の出力
電力Ｐａの目標値を設定するための指令信号５Ｓとに応
答して、燃料供給系１０（後述する）および空気供給系
３、ならびに電力変換系４を制御する。

【０００６】燃料電池１に燃料ガスＧを供給する燃料供
給系１０は、原料ガスＧｏを改質して燃料ガスＧとして
供給する燃料改質装置６と、燃料改質装置６に原料ガス
Ｇｏを供給する原料供給系７と、燃料改質装置６に燃焼
用の補助燃料Ｇｆを供給する補助燃料供給系８と、燃料
改質装置６に燃焼用の燃焼空気Ａｆを供給する燃焼空気
ブロワ９とから構成されている。

【０００７】制御系５により駆動される燃焼空気ブロワ
９は、大気中の空気を吸入し、燃焼空気Ａｆとして燃料
改質装置６に向けて送風する。燃料改質装置６は、原料
ガスＧｏが導入される改質触媒管６Ａと、改質触媒管６
Ａを加熱するバーナ６Ｂとから構成されている。バーナ
６Ｂには、補助燃料Ｇｆおよび燃焼空気Ａｆとともに、
燃料電池１内で反応後のオフガスＧｈが供給されてい
る。

【０００８】原料供給系７は、原料ガスＧｏを格納する
原料タンク７Ａと、原料タンク７Ａから原料ガスＧｏを
導出する原料ポンプ７Ｂと、燃料改質装置６に対する原
料ガスＧｏの供給量を制御する制御弁７Ｃとから構成さ
れている。補助燃料供給系８は、補助燃料Ｇｆを格納す
る燃料タンク８Ａと、燃料タンク８Ａから補助燃料Ｇｆ
を導出する燃料ポンプ８Ｂと、燃料改質装置６に対する
補助燃料Ｇｆの供給量を制御する制御弁８Ｃとから構成
されている。

【０００９】次に、図９とともに、図１０、図１２およ
び図１３の特性図ならびに図１１のタイミングチャート
を参照しながら、従来の燃料電池発電装置の動作につい
て説明する。図１０は燃料電池１の出力電圧Ｖおよび出
力電流Ｉの関係を示し、各特性曲線は燃料電池１の温度
Ｔの変化（Ｔ＝Ｔｏ（初期温度）、Ｔ１、Ｔ２）にそれ
ぞれ対応している。

【００１０】図１０において、破線は、外部負荷１１で
要求される出力電力Ｐａが増大したときの遷移状態を示
す。すなわち、温度Ｔ１の特性曲線上の動作点におい
て、外部負荷１１の増大を示す指令信号５Ｓが発生し、
温度Ｔ２（高い出力電力Ｐ２に対応）の特性曲線上の動
作点に移行する場合を示している。

【００１１】図１１は電力変換系４の出力電力Ｐａ、燃
料ガスＧの流量ＱＧ、燃料電池１の温度Ｔ、出力電圧Ｖ
および出力電流Ｉの時間変化を示している。ここでは、
時刻ｔ１において、外部負荷１１の増大切換を示す指令
信号５Ｓが発生した場合を示している。

【００１２】図１１において、Ｐ２は指令信号５Ｓが発
生した後の出力電力Ｐａの目標値、Ｑ２は出力電力Ｐ２
に応じて設定された燃料ガス流量ＱＧの目標値、ｑは負
荷増大時における燃料ガス流量ＱＧに対する所定増加
量、Ｑ３は所定増加量ｑが加算された実際の燃料ガス流
量、Ｖ２は出力電力Ｐ２に対応する出力電圧の目標値、
Ｉ２は出力電力Ｐ２に対応する出力電流の目標値であ
る。

【００１３】図１２は燃料電池１の運転時間に対する出
力電圧Ｖの変化を示しており、破線は初期電圧値であ
る。図１３は運転時間による出力電圧Ｖの変化後の出力
電圧Ｖおよび出力電流Ｉの特性曲線の変化を示し、一点
鎖線は初期のＩ−Ｖ特性曲線である。

【００１４】定常時の外部負荷１１の変動に対する運転
制御において、制御系５は、指令信号５Ｓに基づいて出
力電流Ｉの目標値を設定するとともに、出力電流Ｉの検
出値に基づいて実際値と目標値との偏差を求め、この電
流偏差に基づいて制御信号を出力する。

【００１５】これにより、制御信号に応答して、燃料供
給系１０による燃料ガスＧの流量制御および空気供給系
３による反応空気Ａの流量制御が行われ、燃料電池１の
出力電流Ｉの制御が行われる。すなわち、制御系５は、
燃料供給系１０内の制御弁７Ｃ、８Ｃおよび燃焼空気ブ
ロワ９を制御するとともに、空気供給系３を制御する。

【００１６】また、制御系５は、制御信号により電力変
換系４を制御する。このとき、外部負荷１１の変動がな
い場合には、制御系５は、出力電流Ｉから求まる燃料利
用率（水素利用率）および空気利用率（この場合、いず
れも一定値）に基づいて設定流量を求める。そして、燃
料ガスＧおよび反応空気Ａの実際の流量（検出値）が設
定流量と一致するように、燃料供給系１０および空気供
給系３をフィードバック制御する。

【００１７】一方、外部負荷１１が変動して上昇した場
合には、制御系５からの制御信号が切換わり、これによ
り、比較的応答速度の速い電力変換系４は、数ｍｓｅｃ
程度の時間内で制御の切換を完了する。しかし、比較的
応答速度の遅い燃料電池１を含む電力出力系において
は、制御信号の切換に対する応答が、電力変換系４に比
べてかなり遅れ、両者の応答時間に時間差を生じてしま
う。

【００１８】なぜなら、燃料電池１を含む電力出力系
は、燃料処理系すなわち燃料改質装置６内において改質
反応（化学反応）を含むうえ、燃焼空気Ａｆおよび燃料
ガスＧならびに反応空気Ａの配管中においてガス移動
（物質移動）を含み、さらに、燃料電池１の温度Ｔ（出
力電圧Ｖの特性を決定する）、負荷上昇にともなって瞬
時に上昇できずに、時間遅れをもって上昇するからであ
る。

【００１９】したがって、燃料電池１の出力電力Ｐの制
御の応答遅れにより、燃料電池１の出力特性は低下して
しまう。すなわち、燃料電池１の温度Ｔの上昇が遅れて
しまい、指令信号５Ｓの発生直後において出力電圧Ｖが
十分に得られないことから、外部負荷１１で要求される
出力電力Ｐ２を供給するためには、たとえば図１０内の
破線のように、出力電流Ｉ２のみが増大されることにな
る。

【００２０】このように、必要な出力電力Ｐ２を満たす
ように出力電力Ｐを上昇させるためには、燃料電池１の
出力電流Ｉを増加させる必要があるので、燃料電池１に
供給する燃料ガスＧおよび反応空気Ａの流量を、増大後
の目標流量Ｑ２（あらかじめマップデータ等により設定
された固定値）以上に設定しなければならない。

【００２１】従来より、指令信号５Ｓに応答して出力電
流Ｉを増大させるために、制御系５は、制御切換後の出
力電力Ｐ２に相当した出力電圧Ｖ２および出力電流Ｉ２
を算出し、これらの目標値Ｖ２およびＩ２に対応した燃
料ガス流量Ｑ２に所定の流量増加量ｑを加算して実際の
流量Ｑ３を求め、これにより燃料ガスＧを供給してい
る。同様に、流量増加量を含む制御信号が空気供給系３
にも入力され、反応空気Ａの実際の流量を増大させてい
ることは言うまでもない。

【００２２】ここで、出力電力Ｐ２に相当する出力電圧
Ｖ２および出力電流Ｉ２は、もし、図１０のように一定
のＶ−Ｉ特性曲線上で規定される値であれば、電力変換
系４の変換効率を考慮して一義的に求められる。しかし
ながら、実際には、出力電圧Ｖ（および出力電流Ｉ）が
運転時間とともに低下する特性（図１２参照）を有して
いるので、Ｖ−Ｉ特性曲線は、運転時間の経過にともな
って、図１３のように出力電力Ｐが低下する方向に変化
する。

【００２３】

【発明が解決しようとする課題】従来の燃料電池発電装
置は以上のように、燃料電池１の出力電流Ｉの変動に対
応することを特に考慮することなく、指令信号５Ｓに応
じて設定される燃料ガスＧ（および反応空気Ａ）の目標
流量に流量増加量ｑを加算して実際の流量を制御してい
るので、安定な運転を実現することができないという問
題点があった。また、外部負荷１１で要求される出力電
力Ｐａを十分確保するためには、運転時間による出力電
圧Ｖの特性低下（図１２参照）を考慮して、出力電流Ｉ
の目標値（たとえば、マップ値）を所定期間毎に更新設
定する必要があり、燃料電池１のトリップ回数が増大す
るという問題点があった。

【００２４】また、燃料ガスＧの組成が変化したり、流
量検出系（図示せず）の誤検出により出力特性が低下し
ても、これを補正する手段を具備していないので、誤制
御を回避することができないという問題点があった。

【００２５】この発明は上記のような問題点を解決する
ためになされたもので、負荷増大直後のガス流量を増大
させるとともに、燃料電池の経時変化を示す出力電圧に
基づいて流量制御することにより、負荷変動時や定常運
転時の燃料ガスおよび反応空気を十分に供給することが
でき、流量設定用の制御定数等の更新を不要としてトリ
ップ回数を低減するとともに、燃料ガス組成の不良に対
しても補正可能とし、安定な運転制御を実現した燃料電
池発電装置を得ることを目的とする。

【００２６】

【課題を解決するための手段】この発明の請求項１に係
る燃料電池発電装置は、燃料ガスおよび反応空気の供給
量に応じた出力電力を発生する燃料電池と、燃料電池に
燃料ガスを供給する燃料供給系と、燃料電池に反応空気
を供給する空気供給系と、燃料電池の出力電力を変換し
て外部負荷に供給する電力変換系と、燃料電池の出力電
流および出力電圧の少なくとも一方を検出する検出手段
と、外部負荷の増大に応じた指令信号および検出手段の
検出情報に応答して、燃料供給系、空気供給系および電
力変換系を運転制御する制御系とを備え、制御系は、出
力電流に基づいて燃料ガスおよび反応空気の規定流量を
設定する規定流量設定手段と、指令信号に応答して燃料
ガスおよび反応空気の補正流量を設定する補正流量設定
手段とを含み、補正流量設定手段は、指令信号の発生か
ら所定時間にわたって、規定流量よりも所定量だけ多く
なるように補正流量を設定するものである。

【００２７】また、この発明の請求項２に係る燃料電池
発電装置は、請求項１において、電力変換系の出力電力
を検出する検出手段を設け、補正流量設定手段は、出力
電力に応じて補正流量を演算設定する関数演算手段を含
み、関数演算手段は、出力電力の増大に応じて減少する
ように補正流量を演算設定するものである。

【００２８】また、この発明の請求項３に係る燃料電池
発電装置は、請求項２において、関数演算手段は、出力
電力の増大に応じて減少するように所定量を演算設定す
るものである。

【００２９】また、この発明の請求項４に係る燃料電池
発電装置は、請求項３において、補正流量設定手段は、
出力電力に基づいて出力電圧に対する規定電圧を設定す
る規定電圧設定手段と、出力電圧と規定電圧との電圧偏
差を求める減算手段と、電圧偏差に基づいて所定量を補
正する所定量補正手段とを含み、出力電圧の低下を補償
するように補正流量を設定するものである。

【００３０】また、この発明の請求項５に係る燃料電池
発電装置は、燃料ガスおよび反応空気の供給量に応じた
出力電力を発生する燃料電池と、燃料電池に燃料ガスを
供給する燃料供給系と、燃料電池に反応空気を供給する
空気供給系と、燃料電池の出力電力を変換して外部負荷
に供給する電力変換系と、燃料電池の出力電流を検出す
る電流検出手段と、燃料電池の出力電圧を検出する電圧
検出手段と、電力変換系の出力電力を検出する電力検出
手段と、各検出手段の検出情報に応答して、燃料供給
系、空気供給系および電力変換系を運転制御する制御系
とを備え、制御系は、出力電力に基づいて出力電圧に対
する規定電圧を設定する規定電圧設定手段と、出力電圧
と規定電圧との電圧偏差を求める減算手段と、電圧偏差
に基づいて燃料ガスおよび反応空気の流量を補正する流
量補正手段とを含み、電圧偏差および出力電流に基づい
て流量を設定するものである。

【００３１】また、この発明の請求項６に係る燃料電池
発電装置は、請求項４または請求項５において、燃料電
池の運転時間を計測する運転時間計測手段を設け、規定
電圧設定手段は、運転時間に応じて、燃料電池の予測出
力電圧を演算設定する関数演算手段と、予測出力電圧に
基づいて規定電圧を補正する規定電圧補正手段とを含
み、運転時間の経過に応じて規定電圧を自動的に補正す
るものである。

【００３２】また、この発明の請求項７に係る燃料電池
発電装置は、請求項６において、規定電圧設定手段は、
運転時間の一定時間経過を判定する一定時間判定手段
と、一定時間経過が判定される毎に、電圧偏差に基づい
て規定電圧を補正するための関数補正手段とを含むもの
である。

【００３３】

【発明の実施の形態】

実施の形態１．以下、この発明の実施の形態１を図につ
いて説明する。図１はこの発明の実施の形態１の動作を
示すタイミングチャートであり、Ｐａ、ＱＧ、Ｖおよび
Ｉは前述と同様のものである。

【００３４】この場合、燃料ガスＧの利用率ηＧおよび
反応空気Ａの利用率ηＡ、ならびに反応空気Ａの流量Ｑ
Ａの時間変化も示している。各利用率ηＧおよびηＡ
（以下、総称的に、利用率ηという）は、各流量ＱＧお
よびＱＡ（以下、総称的に、流量Ｑという）の逆数に対
応する。

【００３５】なお、燃料電池発電装置の構成は前述（図
９）と同様であり、制御系５内の処理ルーチンが異なる
のみである。すなわち、この場合の制御系５は、出力電
流Ｉから求められる規定流量ＱＧ１およびＱＡ１（以
下、流量Ｑ１という）を設定する規定流量設定手段のみ
ならず、規定流量Ｑ１に対して、利用率ηを低下させて
求めた補正流量ＱＧ２およびＱＡ２（以下、流量Ｑ２と
いう）を設定する補正流量設定手段を含み、外部負荷１
１の増大切換過渡時に補正流量設定手段を動作させるよ
うになっている。

【００３６】次に、図１および図９を参照しながら、こ
の発明の実施の形態１の動作について説明する。前述と
同様に、時刻ｔ１において、外部負荷１１に対する出力
電力ＰａをＰ１からＰ３に増大させる指令信号５Ｓが発
生すると、制御系５は、燃料利用率ηＧおよび空気利用
率ηＡを、定常状態での利用率ηＧ１およびηＡ１（以
下、利用率η１という）から負荷増加直後の過渡状態で
の利用率ηＧ２およびηＡ２（以下、利用率η２とい
う）に変更する。

【００３７】一般に、燃料電池１の定常状態（期間ｔ０
〜ｔ１）における利用率は、燃料利用率ηＧ１が８０％
〜８５％程度、空気利用率ηＡ１が６０％程度で運転さ
れている。これに対し、この発明の実施の形態１におい
ては、負荷増加直後の所定時間τの過渡状態（期間ｔ１
〜ｔ２）における利用率ηを、それぞれ定常状態での値
よりも所定量（４％〜５％程度）ずつ低下させ、たとえ
ば、燃料利用率ηＧ２が７５％〜８０％程度、空気利用
率ηＡ２が５５％程度となるように燃料電池１を運転す
る。

【００３８】すなわち、時刻ｔ１において、燃料ガス流
量ＱＧおよび空気流量ＱＡを増大させて、燃料電池１に
対する燃料ガスＧおよび反応空気Ａを過剰に供給し、燃
料利用率ηＧ（＝実際に反応に寄与する燃料ガス／供給
される燃料ガス）および空気利用率ηＡを低下させる。
したがって、燃料ガス流量ＱＧの増加により、時刻ｔ１
において出力電圧Ｖはわずかに増大し、これを相殺する
ように、出力電流Ｉはわずかに減少する。

【００３９】これと同時に、制御系５は、燃料電池１の
出力電流Ｉに基づいて、燃料ガス流量ＱＧおよび空気流
量ＱＡを求め、定常状態の流量Ｑ１から、増大された流
量Ｑ２による制御を行う。その後、出力電力ＰａがＰ１
からＰ３に向かって徐々に増大し、これにより、燃料電
池１の出力電流ＩもＩ１からＩ３に向かって徐々に増大
する。また、出力電流Ｉの増大にともない、燃料ガス流
量ＱＧおよび空気流量ＱＡも増大する。

【００４０】過渡状態時の利用率η２に対応した流量Ｑ
２は、燃料ガスＧの反応による応答遅れや各配管による
応答遅れを見込んで設定されているので、出力電圧Ｖの
低下量は、応答遅れ分が相殺されて、燃料電池１の温度
Ｔの上昇遅れ分のみとなる。したがって、出力電流Ｉに
見合う燃料ガスＧおよび反応空気Ａが供給されるので、
燃料電池１に対する燃料すなわち燃料ガスＧおよび反応
空気Ａが不足することはない。

【００４１】時刻ｔ２において、出力電力Ｐａが負荷増
加後の目標値Ｐ３に達すると、制御系５は、燃料利用率
ηＧおよび空気利用率ηＡを、それぞれ、過渡状態での
各利用率η２から、定常状態での利用率ηＧ３（＝８０
％〜８５％程度＝ηＧ１）およびηＡ３（＝６０％程度
＝ηＡ１）に変更する。これにより、出力電力ＰａがＰ
３の場合の定常状態に移行し、このときの出力電圧Ｖは
Ｖ３となる。

【００４２】その後、燃料電池１の温度Ｔの上昇にとも
ない、時刻ｔ３において、出力電圧ＶはＶ３からＶ４に
上昇する。一方、出力電圧Ｖの上昇により、出力電流Ｉ
はＩ３からＩ４に減少し、出力電力Ｐａを一定の目標値
Ｐ３に維持する。また、出力電流Ｉの減少により、燃料
ガス流量ＱＧおよび空気流量ＱＡは、ＱＧ３およびＧＡ
３から、それぞれＱＧ４およびＱＡ４に変化する。

【００４３】このように、外部負荷１１が増加方向に切
り換えられたときに、直後の過渡状態において燃料ガス
流量ＱＧおよび空気流量ＱＡを増大させ、利用率ηを低
下させて燃料電池１を運転することにより、出力電圧Ｖ
の応答遅れ相当分を補償して直ちに増大させることがで
きる。その後、出力電流Ｉの増大にともなって流量Ｑを
増大させることにより、安定した運転を実現することが
できる。

【００４４】一方、外部負荷１１が減少方向に切り換え
られた場合には、燃料ガスＧおよび反応空気Ａの供給量
が過剰状態となり、特に支障が生じることはないので、
燃料利用率ηＧおよび空気利用率ηＡを切り換える必要
はない。

【００４５】実施の形態２．なお、上記実施の形態１で
は、負荷増大時の過渡状態における燃料利用率ηＧ２お
よび空気利用率ηＡ２を、それぞれ一定値に固定した
が、出力電力Ｐａの変動分を相殺するような関数として
可変設定してもよい。図２はこの発明の実施の形態２に
よる制御系５内の利用率演算部の構成を示す機能ブロッ
クであり、出力電力Ｐａに基づく関数演算により過渡状
態での利用率η２を補正設定する場合を示している。

【００４６】図２において、４１は出力電力Ｐａを検出
する電力検出部であり、電力変換系４の出力端子に設け
られている。５１は出力電力Ｐａに応じた利用率ηを関
数演算により補正設定する関数演算部であり、制御系５
内の補正流量設定手段に含まれる。ここでは、外部負荷
１１の増大切換過渡時の燃料利用率ηＧ２および空気利
用率ηＡ２を、総称的な利用率としてηで示している。

【００４７】関数演算部５１は、負荷増大時の過渡状態
において、たとえば、電力変換系４の出力電力Ｐａが増
大すると、出力電力Ｐａの増大量に応じて利用率ηを増
大設定し、過渡状態での流量Ｑ２を減少させる。逆に、
出力電力Ｐａが減少すると、関数演算された利用率ηに
基づいて流量Ｑを増大させる。これにより、出力電力Ｐ
ａの増大変動（および減少変動）を抑制し、燃料電池１
の運転をさらに安定化することができる。

【００４８】実施の形態３．なお、上記実施の形態２で
は、関数演算部５１を用いて、出力電力Ｐａに応じた利
用率ηを直接補正設定したが、過渡状態時の利用率ηの
低減分に相当する所定量Δηを補正設定し、基本利用率
ηｏ（前述の利用率η１に相当）から減算して補正後の
利用率ηｃを求めてもよい。

【００４９】図３はこの発明の実施の形態３による制御
系５内の利用率演算部の構成を示す機能ブロックであ
り、４１、Ｐａおよびηは前述と同様のものである。こ
こでは、出力電力Ｐａに基づく関数演算により過渡状態
での利用率低減用の所定量Δηを補正設定するようにな
っている。

【００５０】図３において、１００は定常運転時の基本
利用率ηｏを設定する基本利用率設定手段、５２は出力
電力Ｐａに応じて利用率低減用の所定量Δηを補正演算
する関数演算部、５３は基本利用率ηｏと関数演算され
た所定量Δηとの差をとって補正後の利用率ηｃを出力
する減算部であり、基本利用率設定手段１００、関数演
算部５２および減算部５３は、いずれも制御系５内に構
成されている。なお、過渡状態時の燃料利用率ηＧ２お
よび空気利用率ηＡ２に対する所定量ΔηＧおよびΔη
Ａを、総称的な所定量としてΔηで示している。

【００５１】この場合、関数演算部５２は、過渡状態時
に電力変換系４の出力電力Ｐａが増大すると、出力電力
Ｐａの増大量に応じて減少するように、所定量Δηを演
算する。これにより、減算部５３で演算される利用率η
ｃ（＝ηｏ−Δη）を増大させ、前述と同様に、過渡状
態での流量Ｑ２を減少させることができる。逆に、出力
電力Ｐａが減少すると、関数演算された所定量Δηに基
づいて流量Ｑを増大させる。したがって、出力電力Ｐａ
の変動を抑制し、燃料電池１の運転を安定化することが
できる。

【００５２】実施の形態４．なお、上記実施の形態３で
は、関数演算部５２で補正設定された所定量Δηを利用
率ηの低減補正量として直接用いたが、燃料電池１の出
力電圧Ｖの変動に応じて所定量Δηをさらに補正し、燃
料電池１の経時劣化等による出力電圧Ｖの低下を補償す
るようにしてもよい。

【００５３】図４はこの発明の実施の形態４の要部を示
す機能ブロックであり、４１、５２、５３、Ｐａ、Ｖお
よびΔηは前述（図３参照）と同様のものである。ま
た、図示しない構成は、図３および図９に示した通りで
ある。この場合、出力電力Ｐａに基づく関数演算によ
り、過渡状態での燃料電池１の出力電圧Ｖに対応した規
定電圧Ｖｒを設定し、検出された出力電圧Ｖとの電圧偏
差ΔＶに基づいて、利用率低減用の所定量Δηを補正す
るようになっている。

【００５４】図４において、５４は規定電圧設定手段を
構成する関数演算部であり、出力電力Ｐａに応じて燃料
電池１の規定電圧Ｖｒを演算する。１０１は燃料電池１
の出力端子に設けられて出力電圧Ｖを検出する電圧検出
部、５５は出力電圧Ｖと規定電圧Ｖｒとの電圧偏差ΔＶ
を演算する減算部、５６は電圧偏差ΔＶに基づいて所定
量Δηを補正演算する所定量補正部、Δηｃは減算部５
３（図３参照）に入力される補正後の所定量である。以
上の関数演算部５４、減算部５５および所定量補正部５
６は、制御系５内に構成されている。

【００５５】この場合の制御系５（図９参照）は、出力
電力Ｐａに基づいて出力電圧Ｖに対する規定電圧Ｖｒを
設定する規定電圧設定手段と、出力電圧Ｖと規定電圧Ｖ
ｒとの電圧偏差ΔＶに基づいて利用率低減用の所定量Δ
ηを補正する所定量補正手段とを含み、出力電圧Ｖの低
下を補償するように、規定電圧Ｖｒの設定時に自動的に
補正するようになっている。

【００５６】関数演算部５４は、出力電力Ｐａに応じた
規定電圧Ｖｒを、出力電力Ｐａの増大につれて減少する
ように演算する。減算部５５は、出力電圧Ｖの低下につ
れて電圧偏差ΔＶが増大するように、電圧偏差ΔＶ（＝
Ｖｒ−Ｖ）を求める。所定量補正部５６は、電圧偏差Δ
Ｖに重み係数を乗算した値を、関数演算部５２（図３参
照）で演算設定された基本の所定量Δηに加算し、補正
後の所定量Δηｃとして出力する。

【００５７】次に、図３および図９を参照しながら、図
４に示したこの発明の実施の形態４の動作について説明
する。一般に、燃料電池１（図９参照）の出力電圧Ｖ
は、電力変換系４の出力電力Ｐａに対応して求められる
が、燃料ガスＧの経時組成変化による水素量低下や、流
量計の誤指示等に起因して、燃料ガスＧの流量ＱＧおよ
び反応空気Ａの流量ＱＡが必要量よりも低下した場合に
は、出力電圧Ｖの特性低下が発生する。

【００５８】そこで、この発明の実施の形態４において
は、出力電圧Ｖの低下に応じて所定量Δηを増大補正
し、利用率ηを低減させて流量Ｑを増大させる。まず、
関数演算部５４は、負荷増大時の過渡状態時に電力変換
系４の出力電力の増大に応じて減少するように規定電圧
Ｖｒを演算設定する。

【００５９】もし、出力電力Ｐａが増大すれば、関数演
算部５４は、低減された規定電圧Ｖｒを演算し、減算部
５５で演算される電圧偏差ΔＶを低減させる。これによ
り、所定量補正部５６は、所定量Δηを減少方向に補正
して過渡時の利用率ηを増大させ、流量Ｑ２を減少させ
て、出力電力Ｐａの増大を抑制する。

【００６０】また、関数演算部５４で設定された規定電
圧Ｖｒに対して、出力電圧Ｖが低下した場合には、減算
部５５で演算される電圧偏差ΔＶが増大して、所定量補
正部５６で演算される所定量Δηｃは増大する。これに
より、減算部５３（図３参照）から出力される補正後の
利用率ηｃ（＝η−Δηｃ）は減少し、したがって、過
渡状態での流量Ｑ２は増大する。

【００６１】このように、出力電力Ｐａから求まる規定
電圧Ｖｒと出力電圧Ｖとを比較し、その電圧偏差ΔＶに
基づいて、燃料ガスＧおよび反応空気Ａの利用率ηを制
御し、ひいては流量Ｑを制御することにより、外部負荷
１１を増大させた直後の過渡状態における燃料電池１の
出力電圧Ｖを規定電圧Ｖｒに一致させ、出力電圧Ｖの低
下にともなう出力電流Ｉの増大を抑制して、燃料電池１
の運転をさらに安定にすることができる。

【００６２】また、出力電圧Ｖの継時的な特性低下を考
慮して、利用率ηを低減させる所定量Δηを制御するこ
とにより、燃料ガスＧの組成劣化等のガス不足が発生し
ても、燃料電池１を常に安定に動作させることができ
る。したがって、燃料電池１の経時変化のみならず温度
Ｔの変化によらず、燃料電池１の出力特性の低下を防止
することができる。

【００６３】実施の形態５．なお、上記実施の形態４で
は、出力電力Ｐａから一義的に関数演算された規定電圧
Ｖｒを、そのまま比較基準として減算部５５に入力し、
出力電圧Ｖの変動を抑制したが、運転時間に応じた出力
電圧Ｖの低下を考慮して規定電圧Ｖｒを補正し、燃料電
池１の経時劣化等による出力電圧Ｖの低下をさらに高精
度に補償してもよい。

【００６４】図５はこの発明の実施の形態５の要部を示
す機能ブロックであり、４１、５４、５５、Ｐａおよび
Ｖｒは前述（図４参照）と同様のものである。また、図
示しない構成は、図３、図４および図９に示した通りで
ある。この場合、運転時間ｔｄに基づいて関数演算され
た予測出力電圧Ｖｔにより、出力電力Ｐａに基づいて関
数演算された規定電圧Ｖｒを補正し、補正後の規定電圧
Ｖｒｃを減算部５５に入力するようになっている。

【００６５】図５において、１０３は燃料電池１の運転
時間ｔｄを計測する運転時間計測部、５７は計測時間ｔ
ｄに応じて燃料電池１の予測出力電圧Ｖｔを演算設定す
る関数演算部、５８は予測出力電圧Ｖｔに基づいて規定
電圧Ｖｒを補正演算する規定電圧補正部、Ｖｒｃは減算
部５５（図４参照）に入力される補正後の規定電圧であ
る。

【００６６】以上の運転時間計測部１０３、関数演算部
５７および規定電圧補正部５８は、関数演算部５４とと
もに、制御系５内の規定電圧設定手段に含まれており、
運転時間ｔｄの経過に応じて規定電圧Ｖｒを自動的に補
正するようになっている。この場合、関数演算部５７
は、運転時間ｔｄに応じて、図１２に示した出力電圧Ｖ
の低下特性により予測出力電圧Ｖｔを低下さる。

【００６７】また、規定電圧補正部５８は、予測出力電
圧Ｖｔに重み係数を乗算した値を、関数演算部５４で演
算設定された基本の規定電圧Ｖｒに加算し、補正後の規
定電圧Ｖｒｃとして減算部５５（図４参照）に入力す
る。したがって、時間経過により燃料電池１の出力電圧
Ｖが低下しても、流量Ｑを確実に補正することができ、
安定な運転制御を継続することができる。

【００６８】実施の形態６．なお、上記実施の形態５で
は、運転時間ｔｄに応じて、事前に設定された関数演算
により一義的に予測出力電圧Ｖｔを求めて規定電圧Ｖｒ
を補正したが、一定運転時間だけ経過する毎に出力電圧
Ｖの実測値に基づいて関数値を補正し、規定電圧Ｖｒを
補正し、燃料電池１の経時劣化等による出力電圧Ｖの低
下をさらに高精度に補償してもよい。

【００６９】一般に、経時変化による燃料電池１の出力
電圧Ｖの低下量は一定ではなく、運転条件や外部負荷１
１の負荷率等によっても異なる。したがって、図５のよ
うに関数演算部５７により設定された予測出力電圧Ｖｔ
は、実際の出力電圧Ｖと一致するとは限らず、規定電圧
補正部５８を介して補正された規定電圧Ｖｒｃが正確な
値でない場合がある。

【００７０】そこで、現時点での外部負荷１１の条件に
対応して、出力電圧Ｖの実測値により補正された規定電
圧Ｖｒｃを用いれば、さらに安定した燃料電池１の運転
を実現することができる。

【００７１】図６は出力電圧Ｖの実測値に基づいて規定
電圧Ｖｒを補正するようにしたこの発明の実施の形態６
の要部を示す機能ブロックであり、４１、５２、５３、
５５〜５８、１００、１０１、１０３、Ｐａ、ｔｄ、
Ｖ、Ｖｒ、Ｖｒｃ、ΔＶ、Δη、Δηｃ、ηｏおよびη
ｃは、前述（図３〜図５参照）と同様のものである。ま
た、５４Ａは関数演算部５４に対応しており、図示しな
い構成は図９に示した通りである。

【００７２】図６において、５９は計測された運転時間
ｔｄが一定時間経過する毎に一定時間判定信号ｔｃを出
力する一定時間判定部、６０は一定時間判定信号ｔｃに
応答して電圧偏差ΔＶに応じた関数補正を行う関数補正
部である。一定時間判定部５９および関数補正部６０
は、規定電圧設定手段に含まれており、関数補正部６０
は、一定時間判定信号ｔｃが出力される毎に有効化さ
れ、関数演算部５４Ａ内の関数を変更するようになって
いる。

【００７３】以下、図７のフローチャートを参照しなが
ら、図６に示したこの発明の実施の形態６による規定電
圧Ｖｒの補正処理動作について説明する。まず、一定時
間判定部５９は、運転時間ｔｄが一定時間経過したか否
かを判定し（ステップＳ１）、一定時間が経過した（す
なわち、ＹＥＳ）と判定される毎に、一定時間判定信号
ｔｃを出力して関数補正部６０を有効にする。

【００７４】もし、ステップＳ１においてＹＥＳと判定
されれば、減算部５５は、対応する外部負荷１１の規定
電圧Ｖｒｃと出力電圧Ｖとの電圧偏差ΔＶを演算し（ス
テップＳ２）、関数補正部６０は、電圧偏差ΔＶに基づ
いて各外部負荷１１に対する規定電圧Ｖｒを変更補正す
る（ステップＳ３）。

【００７５】たとえば、出力電圧Ｖの低下により電圧偏
差ΔＶが増大した場合には、所定量Δηが増大して流量
Ｑが増大するのを抑制するため、関数演算部５４Ａにお
ける規定電圧Ｖｒの演算値を減少させ、電圧偏差ΔＶを
減少させる。これにより、規定電圧Ｖｒは、出力電圧Ｖ
の実測値に応じて一定時間毎に適性に補正されるので、
燃料電池１の現時点での特性に合わせて、外部負荷１１
の増大過渡時の流量Ｑの増大を防止することができる。

【００７６】一方、ステップＳ１において、運転時間ｔ
ｄが一定時間経過していない（すなわち、ＮＯ）と判定
されれば、ステップＳ２およびステップＳ３を実行せず
に、図７の処理を終了する。図６においては、一定時間
毎に有効化される関数補正部６０により、規定電圧Ｖｒ
に対する関数演算部５４Ａを変更したが、予測出力電圧
Ｖｔに対する関数演算部５７を変更するようにしてもよ
い。

【００７７】実施の形態７．なお、上記実施の形態４〜
６では、外部負荷１１を増大切換したときの過渡状態時
を対象として、利用率ηの低減量（流量の増大量）を電
圧偏差ΔＶに基づいて補正するようにしたが、定常運転
時を対象としてもよい。すなわち、定常運転時におい
て、出力電流Ｉおよび利用率ηから流量Ｑを求める際
に、燃料電池１の出力電圧Ｖと規定電圧Ｖｒとの電圧偏
差ΔＶに基づいて利用率ηを補正するようにしてもよ
い。

【００７８】図８は電圧偏差ΔＶに基づいて定常運転時
の流量Ｑを補正するようにしたこの発明の実施の形態７
の要部を示す機能ブロックであり、４１、５４、５５、
１００、１０１、Ｉ、Ｐａ、Ｑ、Ｖ、Ｖｒ、ΔＶおよび
ηｏは、前述と同様のものである。また、ηｃＡは補正
後の利用率ηｃに対応しており、図示しない構成は図９
に示した通りである。

【００７９】図８において、１０２は燃料電池１の出力
端子に設けられて出力電流Ｉを検出する電流検出部、６
１は電圧偏差ΔＶに基づいて定常運転状態での基本利用
率ηｏを補正する利用率補正部、ηｃＡは補正後の基本
利用率、６２は出力電流Ｉを相応の流量Ｑｉに変換する
流量変換部、６３は流量Ｑｉを基本利用率ηｃＡで除算
して最終的な流量Ｑを出力する除算部である。

【００８０】利用率補正部６１は、定常運転時の流量補
正手段を構成しており、流量変換部６２および除算部６
３とともに、制御系５内に含まれている。流量変換部６
２および除算部６３は、一般的な流量制御手段であり、
従来構成に含まれている。

【００８１】この場合、利用率補正部６１を用いて、電
圧偏差ΔＶに基づいて定常運転時の基本利用率ηｏを補
正すること以外は前述と同様であり、出力電圧Ｖと規定
電圧Ｖｒとの電圧偏差ΔＶに基づいて利用率η（流量
Ｑ）を補正する。

【００８２】したがって、燃料ガスＧ（図９参照）の組
成や流量計の不具合等によりガス不足が発生して出力電
圧Ｖが変動しても、定常運転時の必要な燃料ガスＧおよ
び反応空気Ａを供給することができる。また、燃料電池
１の長時間の運転により出力電圧Ｖの特性が低下して
も、燃料電池１の安定な運転を継続することができる。

【００８３】実施の形態８．なお、図８では、関数演算
部５４から出力された規定電圧Ｖｒをそのまま減算部５
５に入力して電圧偏差ΔＶを求めたが、前述の実施の形
態５（図５参照）と同様に、出力電圧Ｖの継時的な特性
低下を考慮し、運転時間ｔｄに応じて規定電圧Ｖｒを補
正してもよい。

【００８４】これにより、定期的に制御値の設定変更を
行うことなく、燃料電池１の経時劣化等に起因する出力
電圧Ｖの低下をさらに高精度に補償し、ガス不足等に対
処することができる。

【００８５】実施の形態９．また、前述の実施の形態６
（図６および図７参照）と同様に、一定運転時間だけ経
過する毎に出力電圧Ｖを用いて関数演算部５４（または
５７）のデータ値を補正し、規定電圧Ｖｒを補正しても
よい。

【００８６】これにより、運転履歴とは無関係に、規定
電圧Ｖｒを自動的に補正され、燃料電池１の経時劣化等
に起因する出力電圧Ｖの低下をさらに高精度に補償する
ことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 この発明の実施の形態１の動作を説明するた
めのタイミングチャートである。

【図２】 この発明の実施の形態２の要部を示す機能ブ
ロック図である。

【図３】 この発明の実施の形態３の要部を示す機能ブ
ロック図である。

【図４】 この発明の実施の形態４の要部を示す機能ブ
ロック図である。

【図５】 この発明の実施の形態５の要部を示す機能ブ
ロック図である。

【図６】 この発明の実施の形態６の要部を示す機能ブ
ロック図である。

【図７】 この発明の実施の形態６の動作を示すフロー
チャートである。

【図８】 この発明の実施の形態７の要部を示す機能ブ
ロック図である。

【図９】 一般的な燃料電池発電装置を示す概略構成図
である。

【図１０】 一般的な燃料電池の出力電流と出力電圧と
の関係を示す特性図である。

【図１１】 従来の燃料電池発電装置の動作を説明する
ためのタイミングチャートである。

【図１２】 一般的な燃料電池の運転時間に対する出力
電圧の変化を示す特性図である。

【図１３】 一般的な燃料電池の経時変化による出力電
流と出力電圧との関係を示す特性図である。

【符号の説明】

１ 燃料電池、３ 空気供給系、４ 電力変換系、５
制御系、５Ｓ 指令信号、１０ 燃料供給系、１１ 外
部負荷、４１ 電力検出部、５１，５２，５４，５４
Ａ，５５ 減算部、５７ 関数演算部、５６ 所定量補
正部、５８ 規定電圧補正部、５９ 一定時間判定部、
１００ 基本利用率設定部、１０１ 電圧検出部、１０
２ 電流検出部、１０３ 運転時間計測部、Ａ 反応空
気、Ｇ 燃料ガス、Ｉ 出力電流、Ｐａ 出力電力、Ｑ
流量、Ｖ 出力電圧、Ｖｒ 規定電圧、Ｖｒｃ 補正
後の規定電圧、Ｖｔ 予測出力電圧、ΔＶ 電圧偏差、
ｔｃ一定時間判定信号、ｔｄ 運転時間、η 利用率、
ηｃ、ηｃＡ 補正後の利用率、ηＡ 空気利用率、η
Ｇ 燃料利用率、ηｏ 基本利用率、Δη 所定量、Δ
ηｃ 補正後の所定量、τ 所定時間。

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 燃料ガスおよび反応空気の供給量に応じ
   た出力電力を発生する燃料電池と、 前記燃料電池に前記燃料ガスを供給する燃料供給系と、 前記燃料電池に前記反応空気を供給する空気供給系と、 前記燃料電池の出力電力を変換して外部負荷に供給する
   電力変換系と、 前記燃料電池の出力電流および出力電圧の少なくとも一
   方を検出する検出手段と、 前記外部負荷の増大に応じた指令信号および前記検出手
   段の検出情報に応答して、前記燃料供給系、前記空気供
   給系および前記電力変換系を運転制御する制御系とを備
   え、 前記制御系は、 前記出力電流に基づいて前記燃料ガスおよび前記反応空
   気の規定流量を設定する規定流量設定手段と、 前記指令信号に応答して前記燃料ガスおよび前記反応空
   気の補正流量を設定する補正流量設定手段とを含み、 前記補正流量設定手段は、前記指令信号の発生から所定
   時間にわたって、前記規定流量よりも所定量だけ多くな
   るように前記補正流量を設定することを特徴とする燃料
   電池発電装置。
2. 【請求項２】 前記電力変換系の出力電力を検出する検
   出手段を設け、 前記補正流量設定手段は、前記出力電力に応じて前記補
   正流量を演算設定する関数演算手段を含み、 前記関数演算手段は、前記出力電力の増大に応じて減少
   するように前記補正流量を演算設定することを特徴とす
   る請求項１に記載の燃料電池発電装置。
3. 【請求項３】 前記関数演算手段は、前記出力電力の増
   大に応じて減少するように前記所定量を演算設定するこ
   とを特徴とする請求項２に記載の燃料電池発電装置。
4. 【請求項４】 前記補正流量設定手段は、 前記出力電力に基づいて前記出力電圧に対する規定電圧
   を設定する規定電圧設定手段と、 前記出力電圧と前記規定電圧との電圧偏差を求める減算
   手段と、 前記電圧偏差に基づいて前記所定量を補正する所定量補
   正手段とを含み、 前記出力電圧の低下を補償するように前記補正流量を設
   定することを特徴とする請求項３に記載の燃料電池発電
   装置。
5. 【請求項５】 燃料ガスおよび反応空気の供給量に応じ
   た出力電力を発生する燃料電池と、 前記燃料電池に前記燃料ガスを供給する燃料供給系と、 前記燃料電池に前記反応空気を供給する空気供給系と、 前記燃料電池の出力電力を変換して外部負荷に供給する
   電力変換系と、 前記燃料電池の出力電流を検出する電流検出手段と、 前記燃料電池の出力電圧を検出する電圧検出手段と、 前記電力変換系の出力電力を検出する電力検出手段と、 前記各検出手段の検出情報に応答して、前記燃料供給
   系、前記空気供給系および前記電力変換系を運転制御す
   る制御系とを備え、 前記制御系は、 前記出力電力に基づいて前記出力電圧に対する規定電圧
   を設定する規定電圧設定手段と、 前記出力電圧と前記規定電圧との電圧偏差を求める減算
   手段と、 前記電圧偏差に基づいて前記燃料ガスおよび前記反応空
   気の流量を補正する流量補正手段とを含み、 前記電圧偏差および前記出力電流に基づいて前記流量を
   設定することを特徴とする燃料電池発電装置。
6. 【請求項６】 前記燃料電池の運転時間を計測する運転
   時間計測手段を設け、 前記規定電圧設定手段は、 前記運転時間に応じて、前記燃料電池の予測出力電圧を
   演算設定する関数演算手段と、 前記予測出力電圧に基づいて前記規定電圧を補正する規
   定電圧補正手段とを含み、 前記運転時間の経過に応じて前記規定電圧を自動的に補
   正することを特徴とする請求項４または請求項５に記載
   の燃料電池発電装置。
7. 【請求項７】 前記規定電圧設定手段は、 前記運転時間の一定時間経過を判定する一定時間判定手
   段と、 前記一定時間経過が判定される毎に、前記電圧偏差に基
   づいて前記規定電圧を補正するための関数補正手段とを
   含むことを特徴とする請求項６に記載の燃料電池発電装
   置。