JPH11154520A - 燃料電池の補機用電源 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 起動初期における燃料電池の特性低下時に燃
料電池からの補機への出力を制限して、燃料電池の負荷
を下げ、燃料電池の異常な電圧低下を防ぐことができる
燃料電池の補機用電源を提供すること。 【解決手段】 独立で発電可能に構成された燃料電池に
おいて、この燃料電池の発電する電力の一部を前記燃料
電池の単独発電に必要な補機に供給可能にする補機用電
源であって、前記燃料電池の発電する電力の一部の電圧
の変換を行うＤＣ／ＤＣコンバータと、このＤＣ／ＤＣ
コンバータの出力で充電される電池と、前記ＤＣ／ＤＣ
コンバータを通過する前記燃料電池からの電力を制御す
る入力電流制限機構とを備えたことを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は燃料電池の運転の維
持に必要な補機類へ電力を供給する補機用電源に関する
ものである。

【０００２】

【従来の技術】従来より、燃料電池本体、蓄電池、燃料
供給源、制御器等を備え、燃料電池本体で発生した電力
を外部負荷に供給した後の余剰電力を蓄電池に蓄え、燃
料電池本体で発生した電力が不足の場合に蓄電池から電
力を補って外部負荷に供給する燃料電池が知られてい
る。このような燃料電池は、土木建築工事用電源、家庭
用非常電源等として多くの期待が集められている。

【０００３】燃料電池には酸性型燃料電池とアルカリ型
燃料電池があるが、酸性型燃料電池の１つである固体高
分子形燃料電池の特徴を次に説明する。固体高分子形燃
料電池は、図４に示すように、電解質０１に高分子イオ
ン交換膜（例えば、スルホン酸基を持つフッ素樹脂系イ
オン交換膜）を用い、その両側に触媒電極（例えば、白
金等）０２，０３及び集電体０４，０５を具備した電極
接合体０６の構成からなっている。

【０００４】そして、アノード極側に供給された加湿燃
料中の水素は、触媒電極（アノード極）０２上で水素イ
オン化され、この水素イオンは電解質０１中を水の介在
のもとＨ⁺ ・ｘＨ₂ Ｏとして、カソード極側へ水と共に
移動する。この移動した水素イオンは、触媒電極（カソ
ード極）０３上で酸化剤（例えば、空気）中の酸素及び
外部回路０７を流通してきた電子と反応して水を生成す
る。この生成水はカソード極０３，０５より残存酸化剤
に搬送されて燃料電池外へ排出されることになる。この
時、外部回路０７を流通した電子の流れを直流の電気エ
ネルギーとして利用することができる。

【０００５】なお、電解質０１となる高分子イオン交換
膜において、前述のような水素イオン透過性を実現させ
るためには、この高分子イオン交換膜を常に充分なる保
水状態に保持しておく必要があり、例えば燃料又は酸化
剤に燃料電池の運転温度（常温〜１００℃程度）近傍相
当の飽和水蒸気を含ませて、すなわち加湿して燃料及び
酸化剤を電極接合体０６に供給し、膜の保水状態を保つ
ようにしている。また燃料電池は運転中に発熱するので
冷却する必要もある。

【０００６】一方、アルカリ形燃料電池の場合は、電解
質中を水酸イオンが移動してアノード極上で燃料ガス
（水素ガス）と反応して水を生成する。この生成水はア
ノード極より残存燃料ガスに搬送されて燃料電池外へ排
出されることになる。

【０００７】図５は、燃料電池本体へ燃料の水素および
酸化剤としての空気を供給して発電する燃料電池の説明
図である。図５において、燃料の水素を充填した燃料ガ
スボンベ１から手動栓２、高圧から低圧に圧力調整する
レギュレータ３、電磁弁４、４、前記低圧から燃料電池
本体への供給圧力まで圧力調整するレギュレータ５を経
て燃料電池本体６のアノード極に供給された水素ガス
は、ファン７により燃料電池８の外部から取り入れて燃
料電池本体６のカソード極に送られた空気と燃料電池本
体６内で前記電気化学反応を行って発電し、反応しなか
った少量の排水素と排空気は燃料電池８の外部に排出さ
れる。燃料電池本体６のアノード極には水素と共に水が
供給される。１０は水溜め１１から水を汲み上げて燃料
電池本体６に供給するための水ポンプであり、水は循環
して使用するようになっている。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】燃料電池本体６の起動
時には、先ず、燃料電池８に備えた図示しない起動用電
池から電力を補機（電磁弁４、ファン７など）に送って
燃料電池本体６を起動させ、次いで補機への電力供給を
前記起動用電池から燃料電池８に備えた図示しない補機
用ＤＣ／ＤＣコンバータに切り替えて燃料電池本体６か
ら補機への電力供給を開始する。しかし、起動後しばら
くの間は燃料電池本体６の温度が低く発電能力が低いの
で、補機動力を賄えない場合が生じることがあり、この
ような場合は燃料電池本体６の電圧が低下して起動動作
が継続できなくなる。本発明の目的は、燃料電池本体６
の電圧低下などを起こさないでスムースに起動させるこ
とができる燃料電池の補機用電源を提供することであ
る。

【０００９】

【課題を解決するための手段】すなわち、上記課題を解
決するため請求項１の発明は、独立で発電可能に構成さ
れた燃料電池において、この燃料電池の発電する電力の
一部を前記燃料電池の単独発電に必要な補機に供給可能
にする補機用電源であって、前記燃料電池の発電する電
力の一部の電圧の変換を行うＤＣ／ＤＣコンバータと、
このＤＣ／ＤＣコンバータの出力で充電される電池と、
前記ＤＣ／ＤＣコンバータを通過する前記燃料電池から
の電力を制御する入力電流制限機構とを備えたことを特
徴とするものである。補機用ＤＣ／ＤＣコンバータに入
力電流制限機能を設け、起動初期における燃料電池の特
性低下時に燃料電池からの補機への出力を制限すること
によって、燃料電池の負荷を下げ、燃料電池の異常な電
圧低下を防ぐことができるので、運転を継続できる。

【００１０】本発明の請求項２の発明は、請求項１記載
の燃料電池の補機用電源において、前記入力電流制限機
構は前記燃料電池の発電電力に基づいて前記ＤＣ／ＤＣ
コンバータを通過する電力を制御することを特徴とす
る。例えば、制御装置は燃料電池の電圧を監視し、その
電圧が低下したとき補機用ＤＣ／ＤＣコンバータの電流
制限値を下げる設定信号を出力するようにする。制御装
置から設定信号を出力することにより最適な設定が行え
る。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下、図面に基づいて本発明の一
実施形態を説明する。図１は、本発明の燃料電池の補機
用電源を備えた燃料電池の一実施例を示す説明図であ
り、図２は、本発明の燃料電池の補機用電源を説明する
説明図であり、図３は、燃料電池本体の電圧と制御装置
からの入力電流制限設定値との関係の例を示すグラフで
ある。

【００１２】図１において、燃料電池８は、ケース１２
中に燃料ガスボンベ１が起立状態で収納してある。ケー
ス１２の後部の上段には図示しない起動用電池２５や補
機用ＤＣ／ＤＣコンバータ２３などを備えた制御装置１
３などが収納されており、中段には燃料の水素と酸化剤
としての空気が供給されて電気化学反応させることによ
り発電する燃料電池本体６が収納されており、下段には
ＤＣ／ＡＣインバータ１４および水溜め１１などが収納
されている。

【００１３】燃料の水素は燃料ガスボンベ１から、図示
しない高圧から低圧に圧力調整するレギュレータ３、低
圧から燃料電池本体６への供給圧力まで圧力調整するレ
ギュレータ５を経て圧力調整された後、電磁弁４を経
て、燃料電池本体６のアノード極に供給される。燃料電
池本体６のアノード極に供給された水素ガスは、ファン
７によりケース１２の外部から反応空気取入口１５を経
てケース１２内に取り入れて燃料電池本体６のカソード
極に送られた空気と燃料電池本体６内で前記電気化学反
応を行って発電し、反応しなかった少量の排水素と排空
気はケース１２の外部に排出される。

【００１４】燃料電池本体６のアノード極へ管路９から
水素が供給されるとともに水が供給される。１０は水溜
め１１から水を汲み上げて燃料電池本体６に供給するた
めの水ポンプであり、水は循環して使用するようになっ
ている。１６は燃料電池本体６からでる排空気をケース
１２外へ放出するための排気ダクトてある。排気ダクト
１６で分離された水分は排水タンク１７内に集落して、
一旦蓄えられ、排水管１８を経て外部に排水される。

【００１５】図２において、本発明の燃料電池の補機用
電源２１は、電圧検出器２２、補機用ＤＣ／ＤＣコンバ
ータ２３、制御装置１３、起動用電池２５、電池２５の
充電回路３０、充電器３１、商用電源に接続されるプラ
グ３２、およびこれらを接続するラインなどを具備して
おり、そして、電圧検出器２２、補機用ＤＣ／ＤＣコン
バータ２３、制御装置１３が直列に配置されており、補
機用ＤＣ／ＤＣコンバータ２３と制御装置１３を接続す
るライン２４に補機用ＤＣ／ＤＣコンバータ２３と並列
に起動用電池２５が接続されている。３３は燃料電池本
体６の発電した電力を２８０Ｖの直流電圧まで上げるＤ
Ｃ／ＤＣコンバータ、３４は２８０Ｖの直流電圧を１０
０ＶのＡＣ電力に変換するＤＣ／ＡＣコンバータ、３５
は同コンバータで生じる高調波成分を低減させかつ直流
成分を除却するトランスである。

【００１６】例えば燃料電池本体６の起動初期における
特性低下時に、燃料電池本体６の電圧を検知する電圧検
出器２２により電圧を検出して信号をライン２６を経て
制御装置１３へ送り、この制御装置１３からライン２７
を経て設定信号を補機用ＤＣ／ＤＣコンバータ２３に送
ってＤＣ／ＤＣコンバータ２３を通過する電力を制限す
ることによって、燃料電池本体６の負荷を下げ、燃料電
池本体６の過負荷による異常な電圧低下を防ぐことがで
きる。起動用電池２５は、例えば正極にニッケル電極を
用い負極にカドミウム電極を用いたＮｉ−Ｃｄ２次電池
（１２Ｖ−４０Ａｈ）である。補機用ＤＣ／ＤＣコンバ
ータ２３は、燃料電池本体６からの直流電力の電圧（Ｄ
Ｃ２４〜５０Ｖ）を所定の電圧（例えばＤＣ１４Ｖ）に
変換するものであり、この例では制御装置１３からの信
号によって補機用ＤＣ／ＤＣコンバータ２３のチョッピ
ングのデューテイが可変制御される。このＯＮデューテ
イが０％では通過電力が０になり、ＯＮデューテイを大
きくすることによって通過電力が大きくなる。

【００１７】図３に、制御装置１３からの設定信号の例
を示したように、燃料電池本体６の起動初期において、
電圧検出器２２により検出した燃料電池本体６の電圧が
０〜所定のａ値（例えば２４Ｖ）までの範囲において
は、ＤＣ／ＤＣコンバータ２３のＯＮデューテイが０％
であり、補機への電力は全て起動用電池２５から送られ
る。燃料電池本体６の電圧がａ〜ｂ値の範囲において
は、補機への電力は起動用電池２５と燃料電池本体６か
ら送るようにするが、直線ｃで示したように燃料電池本
体６からの電力を電圧に対して比例的に増加させるよう
ＤＣ／ＤＣコンバータ２３のＯＮデューテイを増加させ
る。そして、燃料電池本体６の電圧がｂ値に達した時
に、全て補機用ＤＣ／ＤＣコンバータ２３に切り替え
て、燃料電池本体６のみから補機へ電力を供給し、ｂ〜
ｄ値の範囲で燃料電池本体６から補機へ設定値ｅに対応
する所定の電力を供給する。具体的にはＤＣ／ＤＣコン
バータ２３の出力電圧が起動用電池２５の定格電圧（２
４Ｖ）より１〜２Ｖ程度高くなるようにＯＮデューテイ
を設定する。

【００１８】なお、本発明は上記実施例に限定されるも
のではないので、特許請求の範囲に記載の趣旨から逸脱
しない範囲で各種の変形実施が可能である。また対象燃
料電池も固体高分子形に限定されるものではない。

【００１９】

【発明の効果】本発明の燃料電池の補機用電源は、補機
用ＤＣ／ＤＣコンバータに入力電流制限機能を設け、起
動初期における燃料電池の特性低下時に燃料電池からの
補機への出力を制限することによって、燃料電池の負荷
を下げ、燃料電池の異常な電圧低下を防ぐことができる
ので、運転を継続できる。電流制限値を制御装置から設
定する場合、制御装置は燃料電池の電圧を監視してその
電圧が低下したとき補機用ＤＣ／ＤＣコンバータの電流
制限値を下げる設定信号を出力するようにすることによ
り最適な設定が行える。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の燃料電池の補機用電源を備えた燃料
電池の一実施例を示す説明図である。

【図２】 本発明の燃料電池の補機用電源を説明する説
明図である。

【図３】 燃料電池本体の電圧と制御装置からの入力電
流制限設定値との関係の例を示すグラフである。

【図４】 固体高分子形燃料電池の特徴を示す説明図で
ある。

【図５】 水素および空気を供給して発電する燃料電池
の説明図である。

【符号の説明】

１ 燃料ガスボンベ ４ 電磁弁 ６ 燃料電池本体 ７ ファン ８ 燃料電池 １３ 制御装置 ２１ 燃料電池の補機用電源 ２２ 電圧検出器 ２３ 補機用ＤＣ／ＤＣコンバータ ２５ 起動用電池

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 独立で発電可能に構成された燃料電池に
   おいて、この燃料電池の発電する電力の一部を前記燃料
   電池の単独発電に必要な補機に供給可能にする補機用電
   源であって、前記燃料電池の発電する電力の一部の電圧
   の変換を行うＤＣ／ＤＣコンバータと、このＤＣ／ＤＣ
   コンバータの出力で充電される電池と、前記ＤＣ／ＤＣ
   コンバータを通過する前記燃料電池からの電力を制御す
   る入力電流制限機構とを備えたことを特徴とする燃料電
   池の補機用電源。
2. 【請求項２】 前記入力電流制限機構は前記燃料電池の
   発電電力に基づいて前記ＤＣ／ＤＣコンバータを通過す
   る電力を制御することを特徴とする請求項１記載の燃料
   電池の補機用電源。