JP2002324562A - Fuel cell power-generating system and operating method therefor - Google Patents
Fuel cell power-generating system and operating method thereforInfo
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Abstract
Description
【０００１】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は燃料電池発電システ
ムの運転方法及び燃料電池発電システムに関し、燃料電
池スタックと２次電池又はコンデンサとを備えた燃料電
池発電システムに適用して有用なものである。The present invention relates to a method of operating a fuel cell power generation system and a fuel cell power generation system, and is useful when applied to a fuel cell power generation system having a fuel cell stack and a secondary battery or a capacitor. .
【０００２】[0002]
【従来の技術】燃料電池発電システムには、通常、燃料
電池スタックだけでなく、燃料電池スタックの起動や負
荷変動吸収のために２次電池又は大容量のコンデンサが
装備される。図４は従来の２次電池を備えた燃料電池発
電システムの構成を示すブロック図、図５（ａ）は燃料
電池セル及びセパレータの構成図、図５（ｂ）は燃料電
池スタックの構成図、図６は燃料電池スタックと２次電
池のＶ−Ｉ特性図である。また、図７は従来の２次電池
を備えた燃料電池発電システムの他の構成を示すブロッ
ク図である。2. Description of the Related Art A fuel cell power generation system is usually provided with not only a fuel cell stack but also a secondary battery or a large-capacity capacitor for starting up the fuel cell stack and absorbing load fluctuations. FIG. 4 is a block diagram showing a configuration of a fuel cell power generation system provided with a conventional secondary battery, FIG. 5A is a configuration diagram of a fuel cell and a separator, FIG. 5B is a configuration diagram of a fuel cell stack, FIG. 6 is a VI characteristic diagram of the fuel cell stack and the secondary battery. FIG. 7 is a block diagram showing another configuration of a fuel cell power generation system including a conventional secondary battery.
【０００３】図４に示す従来の燃料電池発電システムに
は、燃料電池スタック１と、この燃料電池スタック１の
起動や負荷変動吸収のために燃料電池スタック１に接続
された２次電池２とを備えている。燃料電池スタック１
は燃料電池セルの積層体（セルスタック）であり、具体
的には図５のように構成されている。A conventional fuel cell power generation system shown in FIG. 4 includes a fuel cell stack 1 and a secondary battery 2 connected to the fuel cell stack 1 for starting up the fuel cell stack 1 and absorbing load fluctuations. Have. Fuel cell stack 1
Is a fuel cell stack (cell stack), which is specifically configured as shown in FIG.
【０００４】図５（ａ）に示すように、燃料電池セル３
はイオン交換樹脂膜などの電解質膜４を電極である燃料
極５と酸素極６とで挟んだ構造となっており、この燃料
電池セル３の両側にはセパレータ７が配置される。セパ
レータ７には燃料電池セル３の燃料極５に燃料ガスを供
給するための燃料ガス通路８と、燃料電池セル３の酸素
極６に酸化ガスを供給するための酸化ガス通路９と、燃
料電池セル３を冷却するための冷却水を流す冷却水通路
１０とが互いに分離して形成されている。そして、この
セパレータ７を介して多数の燃料電池セル３を積層する
ことにより、図５（ｂ）に示すような燃料電池スタック
（セルスタック）１を形成する。[0004] As shown in FIG.
Has a structure in which an electrolyte membrane 4 such as an ion exchange resin membrane is sandwiched between a fuel electrode 5 as an electrode and an oxygen electrode 6, and separators 7 are arranged on both sides of the fuel cell 3. A fuel gas passage 8 for supplying fuel gas to the fuel electrode 5 of the fuel cell 3, an oxidizing gas passage 9 for supplying oxidizing gas to the oxygen electrode 6 of the fuel cell 3, A cooling water passage 10 through which cooling water for cooling the cell 3 flows is formed separately from each other. Then, a large number of fuel cells 3 are stacked via the separator 7 to form a fuel cell stack (cell stack) 1 as shown in FIG. 5B.
【０００５】燃料電池スタック１のセル積層方向の両端
部には集電プレート１１，１２が設けられ、これらの集
電プレート１１，１２の外面側に絶縁プレート１３，１
４を介してエンドプレート１５，１６がそれぞれ設けら
れている。積層された燃料電池セル３は導電体であるセ
パレータ７によって電気的に直列接続されており、両端
部の集電プレート１１，１２において全セル３の直列電
圧が得られるようになっている。また、一方のエンドプ
レート１５には燃料ガス導入孔１７，酸化ガス導入孔１
８及び冷却水導入孔１９が形成され、他方のエンドプレ
ート１６には燃料ガス排出孔２０、酸化ガス排出孔２１
及び冷却水排出孔２２が形成されている。Current collecting plates 11 and 12 are provided at both ends of the fuel cell stack 1 in the cell stacking direction, and insulating plates 13 and 1 are provided on outer surfaces of the current collecting plates 11 and 12.
End plates 15, 16 are provided via the respective 4. The stacked fuel cells 3 are electrically connected in series by a separator 7 that is a conductor, so that the series voltage of all the cells 3 can be obtained at the current collector plates 11 and 12 at both ends. Further, one end plate 15 has a fuel gas introduction hole 17 and an oxidizing gas introduction hole 1.
8 and a cooling water introduction hole 19, and the other end plate 16 has a fuel gas discharge hole 20, an oxidizing gas discharge hole 21
And a cooling water discharge hole 22 is formed.
【０００６】このような燃料電池スタック１に対して図
４に示すように燃料ガス供給装置３１からは燃料ガス
（水素又はメタノールなどの燃料を改質して得られる水
素リッチガス）を供給し、酸化ガス供給装置３２からは
酸化ガス（酸素又は空気等）を供給することにより、燃
料電池スタック１では電気化学反応によって発電する。
そして、燃料電池スタック１で発電した電力は、ＤＣ／
ＤＣコンバータ（電圧調節器）３３を介して負荷装置３
４に供給される。また、ＤＣ／ＤＣコンバータ３３の出
力側には、負荷装置３４と並列に２次電池２及び補機３
５も接続されている。As shown in FIG. 4, a fuel gas (hydrogen-rich gas obtained by reforming a fuel such as hydrogen or methanol) is supplied from the fuel gas supply device 31 to the fuel cell stack 1 and oxidized. By supplying an oxidizing gas (such as oxygen or air) from the gas supply device 32, the fuel cell stack 1 generates power by an electrochemical reaction.
The power generated by the fuel cell stack 1 is DC /
Load device 3 via DC converter (voltage regulator) 33
4 is supplied. On the output side of the DC / DC converter 33, the secondary battery 2 and the auxiliary
5 is also connected.
【０００７】負荷装置３４とは、例えば電気自動車に搭
載する燃料電池発電システムの場合には車両駆動用のイ
ンバータやモータなどであり、ビルや住宅などに併設さ
れる一般の燃料電池発電システムの場合には商用インバ
ータなどである。補機３５とは空気を供給する空気圧縮
機、燃料ポンプ、冷却水ポンプ、流量制御弁などで構成
されたものであり、これらの補機３５は図示はしていな
いが燃料ガス供給装置３１、酸化ガス供給装置３２、燃
料電池スタック１などと密接に関係している。The load device 34 is, for example, an inverter or a motor for driving a vehicle in the case of a fuel cell power generation system mounted on an electric vehicle, and is used in the case of a general fuel cell power generation system attached to a building or a house. Are commercial inverters. The auxiliary equipment 35 includes an air compressor for supplying air, a fuel pump, a cooling water pump, a flow control valve, and the like. These auxiliary equipments 35 are not shown, but the fuel gas supply device 31, It is closely related to the oxidizing gas supply device 32, the fuel cell stack 1, and the like.
【０００８】そして、この燃料電池発電システムでは、
燃料電池スタック１だけでなく、燃料電池スタック１の
起動や負荷変動吸収のために２次電池２も併用される。In this fuel cell power generation system,
Not only the fuel cell stack 1 but also the secondary battery 2 is used for starting the fuel cell stack 1 and absorbing load fluctuations.
【０００９】即ち、燃料電池スタック１は停止状態から
直ぐに発電を開始することができず、燃料ガスや酸化ガ
スの供給を開始することなどにより、燃料電池スタック
１を立ち上げて発電可能な状態にする必要がある。従っ
て、起動時には、２次電池２から補機３５へ電力供給を
供給することにより、燃料電池スタック１に対して燃料
ガス供給装置３１からの燃料ガスの供給や酸化ガス供給
装置３２からの酸化ガスの供給を開始することなどによ
り、燃料電池スタック１を立ち上げて発電可能な状態に
する。また、燃料電池スタック１が立ち上がるまでの
間、２次電池２から、負荷装置３４へも電力を供給する
場合（例えば燃料電池スタックの立ち上がりを待たず
に、２次電池からの電力供給によって直ぐに車両を始動
させるような場合）もある。That is, the fuel cell stack 1 cannot immediately start power generation from the stopped state, but starts up the fuel cell stack 1 by, for example, starting supply of fuel gas or oxidizing gas so that power generation can be performed. There is a need to. Therefore, at the time of startup, by supplying power from the secondary battery 2 to the auxiliary device 35, the fuel gas is supplied from the fuel gas supply device 31 to the fuel cell stack 1 and the oxidizing gas The fuel cell stack 1 is started up by, for example, starting supply of the fuel cell to bring it into a state where power can be generated. In the case where power is also supplied from the secondary battery 2 to the load device 34 until the fuel cell stack 1 starts up (for example, the vehicle is immediately supplied with power from the secondary battery without waiting for the fuel cell stack to start up). May be started).
【００１０】発電が可能になると、燃料電池スタック１
は負荷装置３４に対して出力（電力供給）を始める。こ
のとき、負荷装置３４における負荷が小さい場合には、
燃料電池スタック１の出力で負荷装置３４及び補機３５
の電力を賄い、また、燃料電池スタック１の余剰電力を
２次電池２に充電する。一方、負荷装置３４の負荷が大
きくなって燃料電池スタック１だけでは電力を賄えない
場合には、２次電池２によって負荷変動を吸収する。即
ち、燃料電池スタック１の出力と２次電池２の出力とで
負荷装置３４及び補機３５の電力を賄う。When power generation becomes possible, the fuel cell stack 1
Starts output (power supply) to the load device 34. At this time, when the load on the load device 34 is small,
With the output of the fuel cell stack 1, the load device 34 and the auxiliary machine 35
And the surplus power of the fuel cell stack 1 is charged to the secondary battery 2. On the other hand, when the load of the load device 34 becomes large and the fuel cell stack 1 alone cannot supply power, the secondary battery 2 absorbs the load fluctuation. That is, the output of the fuel cell stack 1 and the output of the secondary battery 2 cover the power of the load device 34 and the auxiliary device 35.
【００１１】制御装置３６では、負荷装置３４のインバ
ータなどを制御することにより、負荷装置３４に所望の
電力を供給する。例えば、車両用燃料電池発電システム
の場合、制御装置３６では、図示しないアクセルペダル
ポジションセンサによって検出するアクセル開度から要
求出力（電力）を求め、この要求出力に基づいて車両駆
動用インバータを制御することなどにより、このインバ
ータを介して車両駆動用モータに要求電力を供給する。
また、制御装置３６では、燃料ポンプや空気圧縮機など
の補機３５の運転制御なども行う。The control device 36 supplies desired electric power to the load device 34 by controlling an inverter and the like of the load device 34. For example, in the case of a vehicle fuel cell power generation system, the control device 36 obtains a required output (electric power) from an accelerator opening detected by an accelerator pedal position sensor (not shown), and controls the vehicle driving inverter based on the required output. Thus, the required power is supplied to the vehicle drive motor via the inverter.
The control device 36 also controls the operation of auxiliary equipment 35 such as a fuel pump and an air compressor.
【００１２】そして、制御装置３６では、燃料電池スタ
ック１で賄いきれない不足分の電力を２次電池２から負
荷装置３４などへ供給したり、燃料電池スタック１の余
剰電力を２次電池２に充電したりするため、ＳＯＣセン
サ３８によって検出する２次電池２の充電率（ＳＯＣ）
に応じてＤＣ／ＤＣコンバータ３３の出力電圧を調整す
ることにより、燃料電池スタック１と２次電池２のＶ−
Ｉ特性を適合させる。The control device 36 supplies the insufficient power that cannot be covered by the fuel cell stack 1 from the secondary battery 2 to the load device 34 and the like, and supplies the surplus power of the fuel cell stack 1 to the secondary battery 2. The charging rate (SOC) of the secondary battery 2 detected by the SOC sensor 38 for charging or the like
The output voltage of the DC / DC converter 33 is adjusted in accordance with
Match I characteristics.
【００１３】つまり、燃料電池スタック１は、一般に燃
料電池スタック１の内部損失や燃料電池スタック１への
ガス供給量等により、例えば図６に示すようなＶ−Ｉ特
性（出力電圧−出力電流特性）を示す。具体的には、燃
料電池スタック１に要求される最大出力電流により、セ
ル面積（燃料電池セル３の面積）を決め、燃料電池スタ
ック１に要求される出力電圧により、セル枚数（積層
数）を決める。また、最大出力電流とセル枚数が決まる
と、必要な燃料電池スタック１へのガス供給量（燃料ガ
ス及び酸化ガスの供給量）が決まり、燃料電池スタック
１のＶ−Ｉ特性として、例えば図６に示すＦ１のような
Ｖ−Ｉ特性が決まる。That is, the fuel cell stack 1 generally has a VI characteristic (output voltage-output current characteristic) as shown in FIG. 6 depending on the internal loss of the fuel cell stack 1 and the amount of gas supplied to the fuel cell stack 1. ). Specifically, the cell area (the area of the fuel cell 3) is determined by the maximum output current required for the fuel cell stack 1, and the number of cells (the number of stacks) is determined by the output voltage required for the fuel cell stack 1. Decide. When the maximum output current and the number of cells are determined, the required gas supply amount (the supply amount of the fuel gas and the oxidizing gas) to the fuel cell stack 1 is determined. A VI characteristic such as F1 shown in FIG.
【００１４】一方、２次電池２ではその内部損失などに
よるＶ−Ｉ特性を有するが、この２次電池２のＶ−Ｉ特
性は２次電池２の充電率の変化にともなって例えば図６
のＢ１，Ｂ２，Ｂ３のように変化する。なお、図６の横
軸（出力電流）において、＋側は燃料電池スタック１及
び２次電池２から負荷装置３４などへ出力される電流で
あり、−側は２次電池２へ流入する充電電流である。図
６に示すＢ１は２次電池２の充電率がＳＯＣ１の高い場
合（例えば充電率９０％の場合）の２次電池２のＶ−Ｉ
特性であり、これよりも２次電池２の充電率がＳＯＣ
２，ＳＯＣ３と小さくなるにしたがい、２次電池２の出
力電圧が全体的に低下して、２次電池２のＶ−Ｉ特性は
Ｂ２，Ｂ３のように変化していく。そこで、このように
充電率に応じて変化する２次電池２のＶ−Ｉ特性と、燃
料電池スタック１のＶ−Ｉ特性とを合わせるために従来
はＤＣ／ＤＣコンバータ３３を用いていた。On the other hand, the secondary battery 2 has a VI characteristic due to its internal loss and the like. The VI characteristic of the secondary battery 2 changes with a change in the charging rate of the secondary battery 2 as shown in FIG.
B1, B2, B3. In the horizontal axis (output current) of FIG. 6, the + side indicates the current output from the fuel cell stack 1 and the secondary battery 2 to the load device 34 and the like, and the − side indicates the charging current flowing into the secondary battery 2. It is. B1 shown in FIG. 6 indicates VI of the secondary battery 2 when the charging rate of the secondary battery 2 is high (for example, when the charging rate is 90%).
Characteristic, the charging rate of the secondary battery 2 is higher than the SOC
As the SOC2 becomes smaller, the output voltage of the secondary battery 2 decreases as a whole, and the VI characteristics of the secondary battery 2 change like B2 and B3. Therefore, the DC / DC converter 33 has conventionally been used in order to match the VI characteristics of the secondary battery 2 changing according to the charging rate and the VI characteristics of the fuel cell stack 1 in this manner.
【００１５】図７に示す燃料電池発電システムでは、Ｄ
Ｃ／ＤＣコンバータ３３を２次電池２側に設けることに
よって、燃料電池スタック１と２次電池２のＶ−Ｉ特性
を適合させている。なお、２次電池２に代えて大容量の
コンデンサを設ける場合もあるが、この場合にもＤＣ／
ＤＣコンバータを用いて燃料電池スタックとコンデンサ
のＶ−Ｉ特性を適合させる。In the fuel cell power generation system shown in FIG.
By providing the C / DC converter 33 on the secondary battery 2 side, the VI characteristics of the fuel cell stack 1 and the secondary battery 2 are adapted. In some cases, a large-capacity capacitor is provided in place of the secondary battery 2;
A DC converter is used to match the VI characteristics of the fuel cell stack and the capacitor.
【００１６】[0016]
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、ＤＣ／
ＤＣコンバータ３３は大きくて重く、また、高価であ
る。特に車両用燃料電池発電システムでは小型・軽量化
が求められるが、大きくて重いＤＣ／ＤＣコンバータ３
３を用いた場合、この小型・軽量化の妨げとなる。ま
た、高価なＤＣ／ＤＣコンバータ３３を用いることによ
り、燃料電池発電システムのコストアップを招いてしま
う。また、ＤＣ／ＤＣコンバータ３３は電力損失を伴う
ため、効率低下の原因ともなっていた。However, DC /
The DC converter 33 is large, heavy, and expensive. In particular, a vehicle fuel cell power generation system is required to be small and lightweight, but a large and heavy DC / DC converter 3
The use of 3 hinders the reduction in size and weight. In addition, the use of the expensive DC / DC converter 33 increases the cost of the fuel cell power generation system. In addition, the DC / DC converter 33 involves power loss, which causes a reduction in efficiency.
【００１７】従って、本発明は上記の事情に鑑み、ＤＣ
／ＤＣコンバータを不要にして、燃料電池発電システム
の小型・軽量化、コストの低減及び高効率化を図ること
ができる燃料電池発電システムの運転方法及び燃料電池
発電システムを提供することを課題とする。Accordingly, the present invention has been made in view of the above circumstances,
It is an object of the present invention to provide a method of operating a fuel cell power generation system and a fuel cell power generation system that can reduce the size and weight of a fuel cell power generation system, reduce costs and increase efficiency by eliminating the need for a DC / DC converter. .
【００１８】[0018]
【課題を解決するための手段】上記課題を解決する本発
明の燃料電池発電システムの運転方法は、燃料電池スタ
ックと、この燃料電池スタックの起動や負荷変動吸収の
ために燃料電池スタックに接続された２次電池又はコン
デンサとを備えた燃料電池発電システムの運転方法であ
って、前記燃料電池スタックには全セル枚数に対応した
タップと、１つ又は複数の中間タップとを設けて、前記
燃料電池スタックの出力電圧を可変とし、前記２次電池
又は前記コンデンサの充電率に応じて前記燃料電池スタ
ックのタップ切り換えを行うことにより、前記燃料電池
スタックと前記２次電池又は前記コンデンサのＶ−Ｉ特
性を適合させることを特徴とする。A method of operating a fuel cell power generation system according to the present invention, which solves the above-mentioned problems, comprises a fuel cell stack, and a fuel cell stack connected to the fuel cell stack for startup and absorption of load fluctuation. A method of operating a fuel cell power generation system comprising a secondary battery or a capacitor, wherein the fuel cell stack includes a tap corresponding to the total number of cells, and one or more intermediate taps. By making the output voltage of the battery stack variable and performing tap switching of the fuel cell stack according to the charging rate of the secondary battery or the capacitor, the VI of the fuel cell stack and the secondary battery or the capacitor is changed. The characteristic is adapted.
【００１９】また、本発明の燃料電池発電システムは、
燃料電池スタックと、この燃料電池スタックの起動や負
荷変動吸収のために燃料電池スタックに接続された２次
電池又はコンデンサとを備えた燃料電池発電システムに
おいて、前記燃料電池スタックは全セル枚数に対応した
タップと、１つ又は複数の中間タップとを設けて出力電
圧を可変に構成するとともに、前記２次電池又はコンデ
ンサの充電率を検出する充電率検出手段と、この充電率
検出手段で検出した２次電池又はコンデンサの充電率に
応じて、前記燃料電池スタックのタップ切り換えを行う
ことにより、前記燃料電池スタックと前記２次電池又は
前記コンデンサのＶ−Ｉ特性を適合させる制御手段とを
備えたことを特徴とする。Further, the fuel cell power generation system of the present invention
In a fuel cell power generation system including a fuel cell stack and a secondary battery or a capacitor connected to the fuel cell stack for starting the fuel cell stack and absorbing load fluctuation, the fuel cell stack corresponds to the total number of cells. And a plurality of intermediate taps to provide a variable output voltage, a charge rate detection means for detecting a charge rate of the secondary battery or the capacitor, and a charge rate detection means for detecting the charge rate of the secondary battery or the capacitor. Control means for adjusting the VI characteristics of the fuel cell stack and the secondary battery or the capacitor by performing tap switching of the fuel cell stack in accordance with the charging rate of the secondary battery or the capacitor. It is characterized by the following.
【００２０】[0020]
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
に基づき詳細に説明する。Embodiments of the present invention will be described below in detail with reference to the drawings.
【００２１】図１は本発明の実施の形態に係る燃料電池
発電システムの構成を示すブロック図、図２（ａ）は燃
料電池セル及びセパレータの構成図、図２（ｂ）は燃料
電池スタックの構成図、図３は燃料電池スタックと２次
電池のＶ−Ｉ特性図である。FIG. 1 is a block diagram showing the configuration of a fuel cell power generation system according to an embodiment of the present invention, FIG. 2A is a configuration diagram of a fuel cell and a separator, and FIG. FIG. 3 is a configuration diagram, and FIG. 3 is a VI characteristic diagram of the fuel cell stack and the secondary battery.
【００２２】図１に示す本実施の形態の燃料電池発電シ
ステムには、燃料電池スタック５１と、この燃料電池ス
タック５１の起動や負荷変動吸収のために燃料電池スタ
ック５１に接続された２次電池５２とを備えている。燃
料電池スタック５１は燃料電池セルの積層体（セルスタ
ック）であり、基本的な構成は従来（図５）と同様であ
る。The fuel cell power generation system according to the present embodiment shown in FIG. 1 has a fuel cell stack 51 and a secondary battery connected to the fuel cell stack 51 for starting up the fuel cell stack 51 and absorbing load fluctuations. 52. The fuel cell stack 51 is a stacked body (cell stack) of fuel cells, and has a basic configuration similar to that of the related art (FIG. 5).
【００２３】即ち、図２（ａ）に示すように、燃料電池
セル６３はイオン交換樹脂膜などの電解質膜６４を電極
である燃料極６５と酸素極６６とで挟んだ構造となって
おり、この燃料電池セル６３の両側にはセパレータ６７
が配置される。セパレータ６７には燃料電池セル６３の
燃料極６５に燃料ガスを供給するための燃料ガス通路６
８と、燃料電池セル６３の酸素極６６に酸化ガスを供給
するための酸化ガス通路６９と、燃料電池セル６３を冷
却するための冷却水を流す冷却水通路７０とが互いに分
離して形成されている。そして、このセパレータ６７を
介して多数の燃料電池セル６３を積層することにより、
図２（ｂ）に示すような燃料電池スタック（セルスタッ
ク）５１を形成する。That is, as shown in FIG. 2A, the fuel cell 63 has a structure in which an electrolyte membrane 64 such as an ion exchange resin membrane is sandwiched between a fuel electrode 65 as an electrode and an oxygen electrode 66. A separator 67 is provided on both sides of the fuel cell 63.
Is arranged. A fuel gas passage 6 for supplying fuel gas to the fuel electrode 65 of the fuel cell 63 is provided in the separator 67.
8, an oxidizing gas passage 69 for supplying an oxidizing gas to the oxygen electrode 66 of the fuel cell 63, and a cooling water passage 70 for flowing cooling water for cooling the fuel cell 63 are formed separately from each other. ing. By stacking a large number of fuel cells 63 via the separator 67,
A fuel cell stack (cell stack) 51 as shown in FIG. 2B is formed.
【００２４】燃料電池スタック５１のセル積層方向の両
端部には集電プレート７８，７９が設けられ、これらの
集電プレート７８，７９の外面側に絶縁プレート８０，
８１を介してエンドプレート７１，７２がそれぞれ設け
られている。積層された燃料電池セル６３は導電体であ
るセパレータ６７によって電気的に直列接続されてお
り、両端部の集電プレート７８，７９において全セル６
３の直列電圧が得られるようになっている。また、一方
のエンドプレート７１には燃料ガス導入孔７３，酸化ガ
ス導入孔７５及び冷却水導入孔７４が形成され、他方の
エンドプレート７２には燃料ガス排出孔８７、酸化ガス
排出孔７６及び冷却水排出孔７７が形成されている。Current collecting plates 78 and 79 are provided at both ends of the fuel cell stack 51 in the cell stacking direction, and insulating plates 80 and 79 are provided on the outer surface side of these current collecting plates 78 and 79.
End plates 71, 72 are provided via 81, respectively. The stacked fuel cells 63 are electrically connected in series by a separator 67 which is a conductor, and all the cells 6 are collected at current collector plates 78 and 79 at both ends.
3 series voltages can be obtained. Further, one end plate 71 is provided with a fuel gas introduction hole 73, an oxidizing gas introduction hole 75, and a cooling water introduction hole 74, and the other end plate 72 is provided with a fuel gas exhaust hole 87, an oxidizing gas exhaust hole 76, and a cooling water introduction hole. A water discharge hole 77 is formed.
【００２５】そして、本実施の形態では、燃料電池スタ
ック５１に対してタップ切り換えを行うことができるよ
うにするため、燃料電池スタック５１の端部の集電プレ
ート７９にはタップ８４を設けられるとともに、燃料電
池スタック５１の積層途中には２つの中間タップ８５，
８６が設けられている。燃料電池セル６３の積層途中に
おいて、セパレータ６７の間に集電プレート８２，８３
がそれぞれ設置されており、これらの集電プレート８
２，８３に中間タップ８５，８６がそれぞれ設けられて
いる。In the present embodiment, the tap 84 is provided on the current collecting plate 79 at the end of the fuel cell stack 51 so that the tap can be switched with respect to the fuel cell stack 51. During the stacking of the fuel cell stack 51, two intermediate taps 85,
86 are provided. During the stacking of the fuel cells 63, the current collecting plates 82 and 83 are interposed between the separators 67.
Are installed respectively, and these current collecting plates 8
2, 83 are provided with intermediate taps 85, 86, respectively.
【００２６】タップ８４は積層された燃料電池セル６３
の全セル枚数（全積層数）に対応し、中間タップ８５は
全セル枚数よりも少ないセル枚数（積層数）に対応し、
中間タップ８６は中間タップ８５よりも更に少ないセル
枚数（積層数）に対応しており、詳細は後述するが、制
御装置５７の制御信号に基づいて切換スイッチ５８によ
り各タップ８４，８５，８６の切り換えを行うことによ
って、各タップ８４，８５，８６に対応したセル枚数の
直列電圧がそれぞれ得られる。切換スイッチ５８として
は機械的なものでもよく、半導体スイッチでもよい。The tap 84 is connected to the stacked fuel cells 63
, The intermediate tap 85 corresponds to a cell number (stacking number) smaller than the total cell number,
The intermediate tap 86 corresponds to a smaller number of cells (the number of layers) than the intermediate tap 85, and details thereof will be described later. However, based on a control signal from the control device 57, the changeover switch 58 controls each of the taps 84, 85, 86. By performing the switching, serial voltages of the number of cells corresponding to the taps 84, 85, 86 are obtained. The changeover switch 58 may be a mechanical switch or a semiconductor switch.
【００２７】このような燃料電池スタック５１に対して
図１に示すように燃料ガス供給装置５３からは燃料ガス
（水素又はメタノールなどの燃料を改質して得られる水
素リッチガス）を供給し、酸化ガス供給装置５４からは
酸化ガス（酸素又は空気等）を供給することにより、燃
料電池スタック５１では電気化学反応によって発電す
る。そして、この燃料電池スタック５１で発電した電力
は、切換スイッチ５８を介し、更に、燃料電池スタック
５１への電流の逆流を防止するためのダイオード６０を
介して、負荷装置５５に供給される。また、ダイオード
６０の出力側（カソード側）には、負荷装置５５と並列
に２次電池５２及び補機５６も接続されている。As shown in FIG. 1, a fuel gas (hydrogen-rich gas obtained by reforming a fuel such as hydrogen or methanol) is supplied to the fuel cell stack 51 from the fuel gas supply device 53 as shown in FIG. By supplying an oxidizing gas (such as oxygen or air) from the gas supply device 54, the fuel cell stack 51 generates power by an electrochemical reaction. The electric power generated by the fuel cell stack 51 is supplied to a load device 55 via a changeover switch 58 and further via a diode 60 for preventing a current from flowing back to the fuel cell stack 51. A secondary battery 52 and an auxiliary device 56 are also connected to the output side (cathode side) of the diode 60 in parallel with the load device 55.
【００２８】負荷装置５５とは、例えば電気自動車に搭
載する燃料電池発電システムの場合には車両駆動用のイ
ンバータやモータなどであり、ビルや住宅などに併設さ
れる一般の燃料電池発電システムの場合には商用インバ
ータなどである。補機５６とは空気を供給する空気圧縮
機、燃料ポンプ、冷却水ポンプ、流量制御弁などで構成
されたものであり、これらの補機５６は図示はしていな
いが燃料ガス供給装置５３、酸化ガス供給装置５４、燃
料電池スタック５１などと密接に関係している。The load device 55 is, for example, an inverter or a motor for driving a vehicle in the case of a fuel cell power generation system mounted on an electric vehicle, and is used in the case of a general fuel cell power generation system attached to a building or a house. Are commercial inverters. The auxiliary device 56 includes an air compressor for supplying air, a fuel pump, a cooling water pump, a flow control valve, and the like. These auxiliary devices 56 are not shown, but are not shown. It is closely related to the oxidizing gas supply device 54, the fuel cell stack 51, and the like.
【００２９】そして、この燃料電池発電システムでは、
燃料電池スタック５１だけでなく、燃料電池スタック５
１の起動や負荷変動吸収のために２次電池５２も併用さ
れる。In this fuel cell power generation system,
Not only the fuel cell stack 51 but also the fuel cell stack 5
The secondary battery 52 is also used for the start-up of 1 and for absorbing the load fluctuation.
【００３０】即ち、燃料電池スタック５１は停止状態か
ら直ぐに発電を開始することができず、燃料ガスや酸化
ガスの供給を開始することなどにより、燃料電池スタッ
ク５１を立ち上げて発電可能な状態にする必要がある。
従って、起動時には、２次電池５２から補機５６へ電力
供給を供給することにより、燃料電池スタック５１に対
して燃料ガス供給装置５３からの燃料ガスの供給や酸化
ガス供給装置５４からの酸化ガスの供給を開始すること
などにより、燃料電池スタック５１を立ち上げて発電可
能な状態にする。また、燃料電池スタック５１が立ち上
がるまでの間、２次電池５２から、負荷装置５５へも電
力を供給する場合（例えば燃料電池スタックの立ち上が
りを待たずに、２次電池からの電力供給によって直ぐに
車両を始動させるような場合）もある。That is, the fuel cell stack 51 cannot immediately start power generation from the stopped state, and starts the fuel gas or oxidizing gas supply to start up the fuel cell stack 51 to a state where power can be generated. There is a need to.
Accordingly, at the time of startup, by supplying power from the secondary battery 52 to the auxiliary device 56, the fuel gas is supplied from the fuel gas supply device 53 to the fuel cell stack 51 and the oxidizing gas is supplied from the oxidizing gas supply device 54 to the fuel cell stack 51. By starting the supply of the fuel cell, the fuel cell stack 51 is started up so as to be able to generate power. Further, when power is also supplied from the secondary battery 52 to the load device 55 until the fuel cell stack 51 starts up (for example, the vehicle is immediately supplied with power from the secondary battery without waiting for the fuel cell stack to start up). May be started).
【００３１】発電が可能になると、燃料電池スタック５
１は負荷装置５５に対して出力（電力供給）を始める。
このとき、負荷装置５５における負荷が小さい場合に
は、燃料電池スタック５１の出力で負荷装置５５及び補
機５６の電力を賄い、また、燃料電池スタック５１の余
剰電力を２次電池５２に充電する。一方、負荷装置５５
の負荷が大きくなって燃料電池スタック５１だけでは電
力を賄えない場合には、２次電池５２によって負荷変動
を吸収する。即ち、燃料電池スタック５１の出力と２次
電池５２の出力とで負荷装置５５及び補機５６の電力を
賄う。When power generation becomes possible, the fuel cell stack 5
1 starts output (power supply) to the load device 55.
At this time, when the load on the load device 55 is small, the output of the fuel cell stack 51 covers the power of the load device 55 and the auxiliary devices 56, and the surplus power of the fuel cell stack 51 is charged to the secondary battery 52. . On the other hand, the load device 55
If the load of the fuel cell stack 51 becomes large and the fuel cell stack 51 alone cannot supply power, the secondary battery 52 absorbs the load fluctuation. That is, the output of the fuel cell stack 51 and the output of the secondary battery 52 cover the power of the load device 55 and the auxiliary device 56.
【００３２】２次電池５２としては鉛蓄電池など、各種
の２次電池を適用することができる。そして、この２次
電池５２には、その充電率（ＳＯＣ）を測定するために
ＳＯＣセンサ５９が設けられている。ＳＯＣセンサ５９
としては、２次電池５２の充放電電流を積算（時間積
分）することによって充電率を求めるものや、２次電池
５２の出力電圧又は電解液の比重を測定して充電率を求
めるものなどを、適宜用いることができる。As the secondary battery 52, various secondary batteries such as a lead storage battery can be applied. The secondary battery 52 is provided with an SOC sensor 59 for measuring the state of charge (SOC). SOC sensor 59
Examples include a method of calculating a charging rate by integrating (time integrating) the charging / discharging current of the secondary battery 52 and a method of measuring the output voltage of the secondary battery 52 or the specific gravity of the electrolyte to obtain the charging rate. Can be used as appropriate.
【００３３】制御装置５７では、負荷装置５５のインバ
ータなどを制御することにより、負荷装置５５に所望の
電力を供給する。例えば、車両用燃料電池発電システム
の場合、制御装置５７では、図示しないアクセルペダル
ポジションセンサによって検出するアクセル開度から要
求出力（電力）を求め、この要求出力に基づいて車両駆
動用インバータを制御することにより、このインバータ
を介して車両駆動用モータに要求電力を供給する。ま
た、制御装置５７では、燃料ポンプや空気圧縮機などの
補機５６の運転制御なども行う。The control device 57 supplies desired electric power to the load device 55 by controlling an inverter and the like of the load device 55. For example, in the case of a vehicular fuel cell power generation system, the control device 57 obtains a required output (electric power) from an accelerator opening detected by an accelerator pedal position sensor (not shown), and controls the vehicle drive inverter based on the required output. Thus, the required power is supplied to the vehicle drive motor via the inverter. The control device 57 also controls the operation of the auxiliary devices 56 such as a fuel pump and an air compressor.
【００３４】そして、制御装置５７では、ＳＯＣセンサ
５９によって検出する２次電池５２の充電率に応じて、
切換スイッチ５８による燃料電池スタック５１のタップ
切り換えを制御することにより、燃料電池スタック５１
と２次電池５２のＶ−Ｉ特性を適合させる。The control device 57 responds to the charging rate of the secondary battery 52 detected by the SOC sensor 59,
By controlling the tap change of the fuel cell stack 51 by the changeover switch 58, the fuel cell stack 51 is controlled.
And the VI characteristics of the secondary battery 52.
【００３５】つまり、燃料電池スタック５１は、一般に
燃料電池スタック５１の内部損失や燃料電池スタック５
１へのガス供給量等により、例えば図３に示すようなＶ
−Ｉ特性（出力電圧−出力電流特性）を示す。具体的に
は、燃料電池スタック５１に要求される最大出力電流に
より、セル面積（燃料電池セル６３の面積）を決め、燃
料電池スタック５１に要求される出力電圧により、セル
枚数（積層数）を決める。また、最大出力電流とセル枚
数が決まると、必要な燃料電池スタック５１へのガス供
給量（燃料ガス及び酸化ガスの供給量）が決まり、燃料
電池スタック５１のＶ−Ｉ特性として、例えば図３に示
すＦ１のようなＶ−Ｉ特性（タップ８４が選択されてい
る場合のＶ−Ｉ特性）が決まる。That is, the fuel cell stack 51 generally has the internal loss of the fuel cell stack 51 and the fuel cell stack 5.
For example, V, as shown in FIG.
And -I characteristics (output voltage-output current characteristics). Specifically, the cell area (the area of the fuel cell 63) is determined by the maximum output current required for the fuel cell stack 51, and the number of cells (the number of stacked cells) is determined by the output voltage required for the fuel cell stack 51. Decide. Further, when the maximum output current and the number of cells are determined, a necessary gas supply amount (a supply amount of the fuel gas and the oxidizing gas) to the fuel cell stack 51 is determined, and as a VI characteristic of the fuel cell stack 51, for example, FIG. (A VI characteristic when the tap 84 is selected), such as F1 shown in FIG.
【００３６】そして、本実施の形態では燃料電池スタッ
ク５１に中間タップ８５，８６を設けることによって、
タップ切り換え、即ち、セル枚数（積層数）の切り換え
を行うことができるようにすることにより、燃料電池ス
タック５１の出力電圧を可変としている。即ち、図３に
例示するように、切換スイッチ５８においてタップ８４
が選択されているときにはＦ１のＶ−Ｉ特性であるのに
対し、切換スイッチ５８によって、タップ８４から中間
タップ８５に切り換えると、燃料電池スタック５１の出
力電圧が全体的に低下してＦ２のＶ−Ｉ特性となり、更
に、中間タップ８５から中間タップ８６に切り換える
と、燃料電池スタック５１の出力電圧が更に全体的に低
下してＦ３のＶ−Ｉ特性となる。In this embodiment, by providing the fuel cell stack 51 with the intermediate taps 85 and 86,
The output voltage of the fuel cell stack 51 is made variable by enabling tap switching, that is, switching of the number of cells (the number of layers). That is, as illustrated in FIG.
Is selected, when the tap is switched from the tap 84 to the intermediate tap 85 by the changeover switch 58, the output voltage of the fuel cell stack 51 is reduced overall and the V2 characteristic of F2 is selected. -I characteristic, and when the intermediate tap 85 is switched to the intermediate tap 86, the output voltage of the fuel cell stack 51 is further reduced as a whole to become the VI characteristic of F3.
【００３７】一方、２次電池５２ではその内部損失など
によるＶ−Ｉ特性を有するが、この２次電池５２のＶ−
Ｉ特性は２次電池５２の充電率の変化にともなって例え
ば図３のＢ１，Ｂ２，Ｂ３のように変化する。なお、図
３の横軸（出力電流）において、＋側は燃料電池スタッ
ク５１及び２次電池５２から負荷装置５５などへ出力さ
れる電流であり、−側は２次電池２へ流入する充電電流
である。図３に示すＢ１は２次電池５２の充電率がＳＯ
Ｃ１の高い場合（例えば充電率９０％の場合）の２次電
池５２のＶ−Ｉ特性であり、これよりも２次電池５２の
充電率がＳＯＣ２，ＳＯＣ３と小さくなるにしたがい、
２次電池５２の出力電圧が全体的に低下して、２次電池
５２のＶ−Ｉ特性はＢ２，Ｂ３のように変化していく。On the other hand, the secondary battery 52 has a VI characteristic due to its internal loss and the like.
The I characteristic changes as B1, B2, and B3 in FIG. 3, for example, as the charging rate of the secondary battery 52 changes. In the horizontal axis (output current) of FIG. 3, the + side is the current output from the fuel cell stack 51 and the secondary battery 52 to the load device 55 and the like, and the − side is the charging current flowing into the secondary battery 2. It is. B1 shown in FIG. 3 indicates that the charging rate of the secondary battery 52 is SO
This is the VI characteristic of the secondary battery 52 when C1 is high (for example, when the charging rate is 90%). As the charging rate of the secondary battery 52 becomes smaller than this, such as SOC2 and SOC3,
The output voltage of the secondary battery 52 decreases overall, and the VI characteristics of the secondary battery 52 change as indicated by B2 and B3.
【００３８】そこで、本実施の形態では、このように充
電率に応じて変化する２次電池５２のＶ−Ｉ特性と、燃
料電池スタック５１のＶ−Ｉ特性とを合わせるために、
従来のようにＤＣ／ＤＣコンバータを用いるのではな
く、上記のように中間タップ８５，８６を設けることに
よって燃料電池スタック５１の出力電圧を可変とし、こ
の燃料電池スタック５１のタップ８４，８５，８６を２
次電池５２の充電率に応じて切り換えるようにしてい
る。Therefore, in the present embodiment, in order to match the VI characteristics of the secondary battery 52, which changes according to the charging rate, with the VI characteristics of the fuel cell stack 51,
Instead of using a DC / DC converter as in the prior art, the output voltage of the fuel cell stack 51 is made variable by providing the intermediate taps 85 and 86 as described above, and the taps 84, 85 and 86 of the fuel cell stack 51 are provided. 2
Switching is performed according to the charging rate of the secondary battery 52.
【００３９】ここで、図１及び図３に基づいて２次電池
充電率に応じたタップ切り換えの具体例について説明す
る。Here, a specific example of tap switching according to the charging rate of the secondary battery will be described with reference to FIGS.
【００４０】ＤＣ／ＤＣコンバータを取り除くと、図１
に示すように燃料電池スタック５１と２次電池５２とが
直結状態となり、この直結状態では燃料電池スタック５
１の出力電圧と２次電池５２の出力電圧とが常に一致す
るように運転されることになる。When the DC / DC converter is removed, FIG.
As shown in FIG. 7, the fuel cell stack 51 and the secondary battery 52 are directly connected to each other.
The operation is performed so that the output voltage of the secondary battery 52 always matches the output voltage of the secondary battery 52.
【００４１】図３に示すように、燃料電池スタック５１
のＶ−Ｉ特性がＦ１の場合、２次電池５２の充電率がＳ
ＯＣ１の高い状態（Ｖ−Ｉ特性がＢ１の場合）では、燃
料電池スタック５１と２次電池５２の出力電圧がＶ1 で
一致して、この出力電圧Ｖ1における燃料電池スタック
５１の最大出力電流Ｉfmと２次電池５２の最大出力電流
Ｉbmとを合わせたＩfm＋Ｉbmの最大出力電流が得られ
る。勿論、負荷が低減すれば、これに応じて燃料電池ス
タック５１と２次電池５２の出力電圧の一致点は上昇
し、出力電流は低下する。As shown in FIG. 3, the fuel cell stack 51
When the VI characteristic of F1 is F1, the charging rate of the secondary battery 52 is S
In a high state of OC1 (if V-I characteristic of B1), the output voltage of the fuel cell stack 51 and the secondary battery 52 is in agreement with V 1, the maximum output current of the fuel cell stack 51 in the output voltages V 1 maximum output current I fm and I fm + I bm a combination of the maximum output current I bm of the secondary battery 52 is obtained. Of course, if the load is reduced, the point at which the output voltage of the fuel cell stack 51 and the output voltage of the secondary battery 52 match will rise accordingly, and the output current will decrease.
【００４２】しかし、燃料電池スタック５１のＶ−Ｉ特
性がＦ１の場合において、２次電池５２の充電率がＳＯ
Ｃ２まで低下してＶ−Ｉ特性がＢ２となったときには、
出力電圧Ｖ1 における２次電池５２の出力電流がＩb1と
なるため、燃料電池スタック５１と２次電池５２を合わ
せた電流はＩfm＋Ｉb1に制限される。このとき、更に電
流を流そうとすると、出力電圧がＶ1 よりも低下し、燃
料電池スタック５１の出力電流が最大出力電流Ｉfmを越
えてしまい、燃料電池スタック５１のＶ−Ｉ特性におい
て出力電圧の低下率の大きな右肩下がりの領域（供給ガ
ス不足の領域）に入るため、燃料電池スタック５１の劣
化又は破損を招くおそれがある。However, when the VI characteristic of the fuel cell stack 51 is F1, the charging rate of the secondary battery 52 becomes SO
When the VI characteristic decreases to C2 and becomes B2,
Since the output current of the secondary battery 52 at the output voltage V 1 is I b1 , the combined current of the fuel cell stack 51 and the secondary battery 52 is limited to I fm + I b1 . At this time, when an attempt is made to further supply a current, the output voltage drops below V 1 , and the output current of the fuel cell stack 51 exceeds the maximum output current Ifm, and the output in the VI characteristic of the fuel cell stack 51 is reduced. The fuel cell stack 51 may be deteriorated or damaged because the fuel cell stack 51 enters a region (a region where the supply gas is insufficient) in which the voltage drop rate decreases to the right.
【００４３】また、燃料電池スタック５１のＶ−Ｉ特性
がＦ１の場合において、２次電池５２の充電率が更にＳ
ＯＣ３まで低下してＶ−Ｉ特性がＢ３となった場合に
は、出力電圧Ｖ1 における２次電池５２の出力電流が更
に低下してＩb2となり、燃料電池スタック５１と２次電
池５２を合わせた電流はＩfm＋Ｉb2に制限される。この
ときにも、更に電流を流そうとすると、燃料電池スタッ
ク５１の出力電流が最大出力電流Ｉfmを越えてしまって
燃料電池スタック５１の劣化又は破損を招くおそれがあ
る。When the VI characteristic of the fuel cell stack 51 is F1, the charging rate of the secondary battery 52 is further increased by S.
If the V-I characteristic was lowered to OC3 becomes B3 is next I b2 output current is reduced further in the secondary battery 52 in the output voltage V 1, the fuel cell stack 51 and the combined secondary batteries 52 Current is limited to I fm + I b2 . Also at this time, if an attempt is made to further supply the current, the output current of the fuel cell stack 51 may exceed the maximum output current Ifm , and the fuel cell stack 51 may be deteriorated or damaged.
【００４４】これに対して、２次電池５２のＶ−Ｉ特性
がＢ２（充電率がＳＯＣ２）の場合、燃料電池スタック
５１のＶ−Ｉ特性をＦ２にすると、燃料電池スタック５
１と２次電池５２の出力電圧がＶ2 で一致して、この出
力電圧Ｖ2 における燃料電池スタック５１の最大出力電
流Ｉfmと２次電池５２の最大出力電流Ｉbmとを合わせた
Ｉfm＋Ｉbmの最大出力電流が得られるようになる。On the other hand, when the VI characteristic of the secondary battery 52 is B2 (charging rate is SOC2), if the VI characteristic of the fuel cell stack 51 is F2, the fuel cell stack 5
1 and the output voltage of the secondary battery 52 match at V 2 , and the maximum output current I fm of the fuel cell stack 51 and the maximum output current I bm of the secondary battery 52 at this output voltage V 2 are I fm. A maximum output current of + I bm can be obtained.
【００４５】また、２次電池５２のＶ−Ｉ特性がＢ３
（充電率がＳＯＣ３）の場合、燃料電池スタック５１の
Ｖ−Ｉ特性をＦ３にすると、燃料電池スタック５１と２
次電池５２の出力電圧がＶ3 で一致して、この出力電圧
Ｖ3 における燃料電池スタック５１の最大出力電流Ｉfm
と２次電池５２の最大出力電流Ｉbmとを合わせたＩfm＋
Ｉbmの最大出力電流が得られるようになる。The VI characteristic of the secondary battery 52 is B3
In the case of (the charging rate is SOC3), if the VI characteristic of the fuel cell stack 51 is set to F3, the fuel cell stacks 51 and 2
The output voltage of the secondary battery 52 matches at V 3 , and the maximum output current I fm of the fuel cell stack 51 at this output voltage V 3
And the maximum output current I bm of the secondary battery 52 and I fm +
A maximum output current of I bm can be obtained.
【００４６】従って、制御装置５７では、２次電池充電
率がＳＯＣ１のときには切換スイッチ５８において負荷
装置５５を燃料電池スタック５１のタップ８４へ接続す
るように制御する。その結果、燃料電池スタック５１の
Ｖ−Ｉ特性はＦ１となり、このときの２次電池５２のＶ
−Ｉ特性Ｂ１と適合する。即ち、Ｉfm＋Ｉbmの最大出力
電流が得られるようになる。Accordingly, the control device 57 controls the load switch 55 to be connected to the tap 84 of the fuel cell stack 51 by the changeover switch 58 when the charging rate of the secondary battery is SOC1. As a result, the VI characteristic of the fuel cell stack 51 becomes F1, and the V-
-Compatible with I characteristic B1. That is, a maximum output current of I fm + I bm can be obtained.
【００４７】そして、制御装置５７では、２次電池充電
率がＳＯＣ２まで低下したときには、切換スイッチ５８
において燃料電池スタック５１のタップをタップ８４か
ら中間タップ８５へ切り換えることにより、この中間タ
ップ８５を介して燃料電池スタック５１と負荷装置５５
とを接続するように制御する。その結果、燃料電池スタ
ック５１のＶ−Ｉ特性はＦ２となり、このときの２次電
池５２のＶ−Ｉ特性Ｂ２と適合する。即ち、燃料電池ス
タック５１と２次電池５２の出力電圧のバランス点がＶ
2 に変わって、Ｉfm＋Ｉbmの最大出力電流を得ることが
できるようになる。When the charging rate of the secondary battery drops to SOC2, the control device 57 switches the switch 58.
By switching the tap of the fuel cell stack 51 from the tap 84 to the intermediate tap 85 at the time, the fuel cell stack 51 and the load device 55 are connected via the intermediate tap 85.
And control to connect. As a result, the VI characteristic of the fuel cell stack 51 becomes F2, which matches the VI characteristic B2 of the secondary battery 52 at this time. That is, the balance point between the output voltages of the fuel cell stack 51 and the secondary battery 52 is V
Instead of 2 , a maximum output current of I fm + I bm can be obtained.
【００４８】更に、制御装置３６では、２次電池充電率
が更にＳＯＣ３まで低下したときには、切換スイッチ５
８において燃料電池スタック５１のタップを中間タップ
８５から中間タップ８６へ切り換えることにより、この
中間タップ８６を介して燃料電池スタック５１と負荷装
置５５とを接続するように制御する。その結果、燃料電
池スタック５１のＶ−Ｉ特性はＦ３となり、このときの
２次電池５２のＶ−Ｉ特性Ｂ３と適合する。即ち、燃料
電池スタック５１と２次電池５２の出力電圧のバランス
点がＶ3 に変わって、Ｉfm＋Ｉbmの最大出力電流を得る
ことができるようになる。Further, in the control device 36, when the charging rate of the secondary battery further decreases to SOC3, the changeover switch 5
In 8, by switching the tap of the fuel cell stack 51 from the intermediate tap 85 to the intermediate tap 86, the fuel cell stack 51 and the load device 55 are controlled to be connected via the intermediate tap 86. As a result, the VI characteristic of the fuel cell stack 51 becomes F3, which matches the VI characteristic B3 of the secondary battery 52 at this time. That is, the balance point between the output voltage of the fuel cell stack 51 and the output voltage of the secondary battery 52 is changed to V 3, and a maximum output current of I fm + I bm can be obtained.
【００４９】また、通常、２次電池５２はできるだけ満
充電の状態にしておいて、燃料電池スタック５１を立ち
上げるときや高負荷運転のときに備えるようにする必要
があるが、燃料電池スタック５１のＶ−Ｉ特性を例えば
Ｆ３のままにすると、燃料電池スタック５１の出力電圧
が低くなるため、２次電池５２への充電を十分に行うこ
とができない。つまり、燃料電池スタック５１では、そ
のＶ−Ｉ特性から明らかなように、負荷電流の低下にと
もなって出力電圧が高くなるが、少なくとも補機５３の
消費電流Ｉs を供給する必要はあるため、Ｖ−Ｉ特性が
Ｆ３の場合にはこの補機分の消費電流Ｉs に対応した電
圧Ｖ4 までしか出力電圧が高くならず（実際には燃料電
池スタック５１から２次電池５２への充電電流も流れる
ため、出力電圧は更に低くなる）、この出力電圧Ｖ4 で
は２次電池５２を十分に充電してＳＯＣ１まで充電率を
回復させることができない。Normally, it is necessary to keep the secondary battery 52 in a fully charged state as much as possible so as to be ready when the fuel cell stack 51 is started or when the fuel cell stack 51 is operated under a high load. If the VI characteristic of the fuel cell is kept at F3, for example, the output voltage of the fuel cell stack 51 becomes low, so that the secondary battery 52 cannot be charged sufficiently. In other words, in the fuel cell stack 51, as is clear from the V-I characteristic, the output voltage with a decrease in the load current is high, since there is need to supply the current consumption I s of at least accessory 53, V-I characteristic charging current from the auxiliary component of the current consumption only to I s voltage V 4 corresponding to not higher output voltage (in practice the fuel cell stack 51 in the case of F3 to the secondary battery 52 since the flows, the output voltage becomes further low), it is impossible to restore the charge rate until SOC1 to charge the secondary battery 52 in the output voltage V 4 sufficiently.
【００５０】従って、制御装置５７では、２次電池５２
が充電されて２次電池充電率がＳＯＣ３よりも大きくな
ったら、切換スイッチ５８において燃料電池スタック５
１のタップを中間タップ８６から中間タップ８５へ切り
換えることにより、燃料電池スタック５１の出力電圧を
高くするように制御し、また、２次電池５２が更に充電
されて充電率がＳＯＣ２よりも大きくなったら、切換ス
イッチ５８において燃料電池スタック５１のタップを中
間タップ８５からタップ８４へ切り換えることにより、
燃料電池スタック５１の出力電圧を更に高くするように
制御する。かくして、２次電池５２を十分に充電して、
ＳＯＣ１まで充電率を回復させることができる。Therefore, in the control device 57, the secondary battery 52
Is charged and the charging rate of the secondary battery becomes larger than SOC3,
By switching the first tap from the intermediate tap 86 to the intermediate tap 85, the output voltage of the fuel cell stack 51 is controlled to be higher, and the secondary battery 52 is further charged so that the charging rate becomes larger than SOC2. Then, by switching the tap of the fuel cell stack 51 from the intermediate tap 85 to the tap 84 with the changeover switch 58,
Control is performed to further increase the output voltage of the fuel cell stack 51. Thus, the secondary battery 52 is fully charged,
The charge rate can be restored to SOC1.
【００５１】以上のように、本実施の形態によれば、燃
料電池スタック５１には全セル枚数に対応したタップ８
４と中間タップ８５，８６とを設けて燃料電池スタック
５１の出力電圧を可変とし、２次電池５２の充電率に応
じて燃料電池スタック５１のタップ８４，８５，８６を
切り換えることにより、燃料電池スタック５１と２次電
池５２のＶ−Ｉ特性を適合させるようにしたため、ＤＣ
／ＤＣコンバータが不要となり、燃料電池発電システム
の小型・軽量化、コストの低減、高効率化を図ることが
できる。As described above, according to the present embodiment, the fuel cell stack 51 has the taps 8 corresponding to the total number of cells.
4 and the intermediate taps 85 and 86, the output voltage of the fuel cell stack 51 is made variable, and the taps 84, 85 and 86 of the fuel cell stack 51 are switched according to the charging rate of the secondary battery 52. Since the VI characteristics of the stack 51 and the secondary battery 52 are matched, the DC
This eliminates the need for a DC / DC converter, which makes it possible to reduce the size and weight of the fuel cell power generation system, reduce costs, and increase efficiency.
【００５２】なお、上記では２つの中間タップ８５，８
６を設けた場合を例に挙げて説明したが、勿論、これに
限定するものではなく、中間タップの数は１つでも３つ
以上でもよい。例えば、タップ切り換え時の電圧変動を
小さくしようとする場合には、中間タップの数を適宜増
やして、タップ間のセル枚数差を小さくすればよい。ま
た、例えば充電率がＳＯＣ２まで低下してタップ８４か
ら中間タップ８５へ切り換えるまでの間、即ち、充電率
がＳＯＣ１とＳＯＣ２の間では、タップ８４に接続され
てＶ−Ｉ特性がＦ１の状態であるため、Ｉfm＋Ｉbmの最
大電流よりも小さな電流に制限されることになる。そこ
で、このタップ切り換えまでの間の電流の制限をできる
だけ小さくしてＩfm＋Ｉbmの最大出力電流にできるだけ
近い電流を得ることができるようにする場合にも、中間
タップの数を適宜増やして、タップ間のセル枚数差を小
さくすればよい。In the above description, the two intermediate taps 85, 8
Although the case where 6 is provided has been described as an example, it is needless to say that the present invention is not limited to this, and the number of intermediate taps may be one or three or more. For example, to reduce the voltage fluctuation at the time of tap switching, the number of intermediate taps may be increased as appropriate to reduce the difference in the number of cells between taps. Also, for example, until the charging rate drops to SOC2 and the tap 84 is switched to the intermediate tap 85, that is, between the SOC1 and SOC2, the state is connected to the tap 84 and the VI characteristic is F1. Therefore, the current is limited to a current smaller than the maximum current of I fm + I bm . Therefore, when the current limit until the tap switching is reduced as much as possible so that a current as close as possible to the maximum output current of I fm + I bm can be obtained, the number of intermediate taps is appropriately increased. The difference in the number of cells between taps may be reduced.
【００５３】また、図３に示すＶ−Ｉ特性は一例であ
り、燃料電池スタックや２次電池の種類などに応じてＶ
−Ｉ特性が変わることもあるが、実際の燃料電池スタッ
クや２次電池のＶ−Ｉ特性に応じて、適宜、中間タップ
数の設定や、タップ切り換えを行う２次電池充電率の設
定（タップ切り換えのタイミングの設定）などを行えば
よい。Further, the VI characteristic shown in FIG. 3 is an example, and the V-I characteristic depends on the type of the fuel cell stack and the type of the secondary battery.
Although the -I characteristics may change, the setting of the number of intermediate taps and the setting of the secondary battery charging rate (tap switching) are appropriately performed according to the actual fuel cell stack and the VI characteristics of the secondary battery. (Setting of switching timing) may be performed.
【００５４】また、上記では集電プレートにタップを設
けているが、これに限定するものではなく、集電プレー
トを設けずに、直接、セパレータにタップを設けるよう
にしてもよい。In the above description, the tap is provided on the current collecting plate. However, the present invention is not limited to this. The tap may be directly provided on the separator without providing the current collecting plate.
【００５５】また、上記では２次電池５２を備えた場合
について説明したが、これに限定するものではなく、本
発明は２次電池に代えて大容量のコンデンサを備えた燃
料電池発電システムにも適用することができる。この場
合には、図示は省略するが、コンデンサの充電率を充電
率センサで測定し、この充電率センサで測定したコンデ
ンサの充電率に応じて燃料電池スタックのタップ切り換
えを行う。Although the case where the secondary battery 52 is provided has been described above, the present invention is not limited to this. The present invention is also applicable to a fuel cell power generation system having a large-capacity capacitor instead of a secondary battery. Can be applied. In this case, although not shown, the charging rate of the capacitor is measured by a charging rate sensor, and tap switching of the fuel cell stack is performed according to the charging rate of the capacitor measured by the charging rate sensor.
【００５６】[0056]
【発明の効果】以上、発明の実施の形態とともに具体的
に説明したように、本発明の燃料電池発電システムの運
転方法は、燃料電池スタックと、この燃料電池スタック
の起動や負荷変動吸収のために燃料電池スタックに接続
された２次電池又はコンデンサとを備えた燃料電池発電
システムの運転方法であって、前記燃料電池スタックに
は全セル枚数に対応したタップと、１つ又は複数の中間
タップとを設けて、前記燃料電池スタックの出力電圧を
可変とし、前記２次電池又は前記コンデンサの充電率に
応じて前記燃料電池スタックのタップ切り換えを行うこ
とにより、前記燃料電池スタックと前記２次電池又は前
記コンデンサのＶ−Ｉ特性を適合させることを特徴とす
る。As described above in detail with the embodiments of the present invention, the operating method of the fuel cell power generation system according to the present invention includes a fuel cell stack and a method for starting up the fuel cell stack and absorbing load fluctuation. A method for operating a fuel cell power generation system comprising a secondary battery or a capacitor connected to a fuel cell stack, wherein the fuel cell stack has taps corresponding to the total number of cells, and one or more intermediate taps. The fuel cell stack and the secondary battery by changing the output voltage of the fuel cell stack and performing tap switching of the fuel cell stack according to the charging rate of the secondary battery or the capacitor. Alternatively, the VI characteristics of the capacitor are adapted.
【００５７】また、本発明の燃料電池発電システムは、
燃料電池スタックと、この燃料電池スタックの起動や負
荷変動吸収のために燃料電池スタックに接続された２次
電池又はコンデンサとを備えた燃料電池発電システムに
おいて、前記燃料電池スタックは全セル枚数に対応した
タップと、１つ又は複数の中間タップとを設けて出力電
圧を可変に構成するとともに、前記２次電池又はコンデ
ンサの充電率を検出する充電率検出手段と、この充電率
検出手段で検出した２次電池又はコンデンサの充電率に
応じて、前記燃料電池スタックのタップ切り換えを行う
ことにより、前記燃料電池スタックと前記２次電池又は
前記コンデンサのＶ−Ｉ特性を適合させる制御手段とを
備えたことを特徴とする。Also, the fuel cell power generation system of the present invention
In a fuel cell power generation system including a fuel cell stack and a secondary battery or a capacitor connected to the fuel cell stack for starting the fuel cell stack and absorbing load fluctuation, the fuel cell stack corresponds to the total number of cells. And a plurality of intermediate taps to provide a variable output voltage, a charge rate detection means for detecting a charge rate of the secondary battery or the capacitor, and a charge rate detection means for detecting the charge rate of the secondary battery or the capacitor. Control means for adjusting the VI characteristics of the fuel cell stack and the secondary battery or the capacitor by performing tap switching of the fuel cell stack in accordance with the charging rate of the secondary battery or the capacitor. It is characterized by the following.
【００５８】従って、本発明によれば、ＤＣ／ＤＣコン
バータが不要となり、燃料電池発電システムの小型・軽
量化、コストの低減、高効率化を図ることができる。Therefore, according to the present invention, a DC / DC converter is not required, and the size and weight of the fuel cell power generation system, the cost can be reduced, and the efficiency can be improved.
【図１】本発明の実施の形態に係る燃料電池発電システ
ムの構成を示すブロック図である。FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of a fuel cell power generation system according to an embodiment of the present invention.
【図２】（ａ）は燃料電池セル及びセパレータの構成
図、（ｂ）は燃料電池スタックの構成図である。FIG. 2A is a configuration diagram of a fuel cell and a separator, and FIG. 2B is a configuration diagram of a fuel cell stack.
【図３】燃料電池スタックと２次電池のＶ−Ｉ特性図で
ある。FIG. 3 is a VI characteristic diagram of a fuel cell stack and a secondary battery.
【図４】従来の燃料電池発電システムの構成を示すブロ
ック図である。FIG. 4 is a block diagram showing a configuration of a conventional fuel cell power generation system.
【図５】（ａ）は燃料電池セル及びセパレータの構成
図、（ｂ）は燃料電池スタックの構成図である。5A is a configuration diagram of a fuel cell and a separator, and FIG. 5B is a configuration diagram of a fuel cell stack.
【図６】燃料電池スタックと２次電池のＶ−Ｉ特性図で
ある。FIG. 6 is a VI characteristic diagram of a fuel cell stack and a secondary battery.
【図７】従来の燃料電池発電システムの他の構成を示す
ブロック図である。FIG. 7 is a block diagram showing another configuration of a conventional fuel cell power generation system.
５１ 燃料電池スタック ５２ ２次電池 ５３ 燃料ガス供給装置 ５４ 酸化ガス供給装置 ５５ 負荷装置 ５６ 補機 ５７ 制御装置 ５８ 切換スイッチ ５９ ＳＯＣセンサ ６０ ダイオード ６３ 燃料電池セル ６４ 電解質膜 ６５ 燃料極 ６６ 酸素極 ６７ セパレータ ６８ 燃料ガス通路 ６９ 酸化ガス通路 ７０ 冷却水通路 ７１ エンドプレート ７２ エンドプレート ７３ 燃料ガス導入孔 ７４ 冷却水導入孔 ７５ 酸化ガス導入孔 ７６ 酸化ガス排出孔 ７７ 冷却水排出孔 ７８ 集電プレート ７９ 集電プレート ８０ 絶縁プレート ８１ 絶縁プレート ８２ 集電プレート ８３ 集電プレート ８４ タップ ８５ 中間タップ ８６ 中間タップ ８７ 燃料ガス排出孔 Reference Signs List 51 fuel cell stack 52 secondary battery 53 fuel gas supply device 54 oxidizing gas supply device 55 load device 56 auxiliary equipment 57 control device 58 changeover switch 59 SOC sensor 60 diode 63 fuel cell 64 electrolyte membrane 65 fuel electrode 66 oxygen electrode 67 separator 68 Fuel gas passage 69 Oxidizing gas passage 70 Cooling water passage 71 End plate 72 End plate 73 Fuel gas introducing hole 74 Cooling water introducing hole 75 Oxidizing gas introducing hole 76 Oxidizing gas discharging hole 77 Cooling water discharging hole 78 Current collecting plate 79 Current collector Plate 80 Insulation plate 81 Insulation plate 82 Current collecting plate 83 Current collecting plate 84 Tap 85 Intermediate tap 86 Intermediate tap 87 Fuel gas discharge hole
Claims (2)
ックの起動や負荷変動吸収のために燃料電池スタックに
接続された２次電池又はコンデンサとを備えた燃料電池
発電システムの運転方法であって、 前記燃料電池スタックには全セル枚数に対応したタップ
と、１つ又は複数の中間タップとを設けて、前記燃料電
池スタックの出力電圧を可変とし、前記２次電池又は前
記コンデンサの充電率に応じて前記燃料電池スタックの
タップ切り換えを行うことにより、前記燃料電池スタッ
クと前記２次電池又は前記コンデンサのＶ−Ｉ特性を適
合させることを特徴とする燃料電池発電システムの運転
方法。1. A method for operating a fuel cell power generation system comprising a fuel cell stack and a secondary battery or a capacitor connected to the fuel cell stack for starting up the fuel cell stack and absorbing load fluctuations, The fuel cell stack is provided with taps corresponding to the total number of cells and one or a plurality of intermediate taps to make the output voltage of the fuel cell stack variable and vary according to the charging rate of the secondary battery or the capacitor. Operating the fuel cell stack to change the VI characteristics of the fuel cell stack and the secondary battery or the capacitor by switching taps of the fuel cell stack.
ックの起動や負荷変動吸収のために燃料電池スタックに
接続された２次電池又はコンデンサとを備えた燃料電池
発電システムにおいて、 前記燃料電池スタックは全セル枚数に対応したタップ
と、１つ又は複数の中間タップとを設けて出力電圧を可
変に構成するとともに、 前記２次電池又はコンデンサの充電率を検出する充電率
検出手段と、 この充電率検出手段で検出した２次電池又はコンデンサ
の充電率に応じて、前記燃料電池スタックのタップ切り
換えを行うことにより、前記燃料電池スタックと前記２
次電池又は前記コンデンサのＶ−Ｉ特性を適合させる制
御手段とを備えたことを特徴とする燃料電池発電システ
ム。2. A fuel cell power generation system comprising: a fuel cell stack; and a secondary battery or a capacitor connected to the fuel cell stack for starting up the fuel cell stack and absorbing a load change. A charging rate detecting means for providing a tap corresponding to the total number of cells and one or a plurality of intermediate taps to vary the output voltage, and detecting a charging rate of the secondary battery or the capacitor; By switching the tap of the fuel cell stack according to the charging rate of the secondary battery or the capacitor detected by the detecting means, the fuel cell stack and the fuel cell stack are switched.
Control means for adjusting the VI characteristics of the secondary battery or the capacitor.
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|---|---|---|---|
| JP2001131102A JP2002324562A (en) | 2001-04-27 | 2001-04-27 | Fuel cell power-generating system and operating method therefor |
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