JP2621424B2 - 燃料電池の運転制御装置 - Google Patents

燃料電池の運転制御装置

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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、燃料および酸化剤の供給による電池反応に
よる発電する電力を外部負荷に供給する燃料電池の運転
制御装置に関する。
〔従来の技術〕
燃料電池は単電池を積層してなるセルスタックを備
え、セルスタックの単電池に反応ガスとしての燃料ガス
と酸化剤ガスとを供給して電池反応を起こさせて発電す
る。この際、電池反応に伴って熱が発生するので、セル
スタックに供給する冷却媒体により除熱してセルスタッ
クを冷却して燃料電池の運転温度を保持している。この
ようにして燃料電池にて発電した電力は燃料電池から外
部負荷に送電される。
このような燃料電池の発電システムとして従来第２図
に示すものが知られている。図において１は燃料電池で
あり、燃料ガスと酸化剤ガスとをそれぞれ供給する燃料
ガス供給装置と酸化剤ガス供給装置とからなる反応ガス
供給装置２から供給される燃料ガスと酸化剤ガスとによ
り電池反応を起こして発電する。この際、電池反応によ
り発生する熱は、循環ファン３を備え、燃料電池の冷却
流路1aを経由する循環流路４を有する冷却空気供給系５
により、循環ファン３を駆動して冷却空気を大気より吸
込んで循環流路４に循環させる冷却空気により除去さ
れ、燃料電池１の運転温度が保持される。
運転温度はセルスタックに取付けられた温度センサ８
により検出された電池温度の出力信号と温度設定器10で
設定した電池温度の出力信号が温度調節器９に入力さ
れ、その偏差により循環ファン３の回転数を回転数制御
装置を介して制御して設定された運転温度に保持され
る。
ところで燃料電池１で発電した直流電力は外部負荷に
必要な形に変換する電力用半導体素子からなる電力変換
器11に例えば直流から交流に変換された後外部負荷12に
送電される。
送電される電力は負荷設定器13により負荷設定され、
この設定負荷指令が制御装置14に入力される。制御装置
14は設定負荷に対応して燃料ガス流量と酸化剤ガス流量
をそれぞれ演算し、この演算された燃料ガス流量と酸化
剤ガス流量とを燃料電池１に供給するように反応ガス供
給装置２の燃料ガス供給装置と酸化剤ガス供給装置とを
制御する。そして燃料電池１はこの供給される燃料ガス
流量と酸化剤ガス流量とにより発電し、外部負荷12に設
定した電力が送電される。
ところで、燃料電池の出力特性、すなわち、発電によ
り発生する負荷電流と出力電圧との関係は、縦軸に出力
電圧を、横軸に負荷電流をとって示した第３図の発電初
期の特性曲線15,長期運転後の特性曲線16が示すように
発電初期と長期運転後とでは異なり、運転時間が増すに
従って徐々に特性が低下し、一定電流値で比較すると出
力電圧は運転時間が長くなる程低下する。したがって運
転の経過により出力電圧が低下した場合、燃料電池に供
給する燃料ガス及び酸化剤ガスの流量を増加させ、負荷
電流を増加させることにより設定した電力が送電され
る。
〔発明が解決しようとする課題〕
電力変換器11は電力用半導体素子から構成されている
が、素子の数や容量は燃料電池の発電システムの定格出
力における最大電流値により決定され、電流値が大きく
なる程半導体素子の数や容量は増加する。
ところで燃料電池の出力特性は運転時間の増加に伴っ
て前述のように低下するので、所定の電力を送電するた
めには目標とする長期の運転時間における出力電圧の低
下による電流増加を見込んで電力変換器には電力用半導
体素子を多目に組み込む必要がある。このため電力用半
導体素子の数を増加したり、あるいは素子の容量をより
大きくするなどする必要があり、これに伴って電力変換
器における損失が増す等の欠点がある。
本発明の目的は、燃料電池から電力を送電する際に使
用される電力変換器の損失を小さくすることのできる燃
料電池の運転制御装置を提供することである。
〔課題を解決するための手段〕
上記課題を解決するために、本発明によれば、 単電池を積層してなるセルスタックに反応ガスを供給
して起きる電池反応により発生する電力を電力変換器を
経て外部負荷に送電し、電池反応に伴って発生する熱を
セルスタックに供給される冷却媒体により除熱してセル
スタックを冷却する燃料電池において、 燃料電池の出力電圧を検出する電圧計と、 負荷電流を検出する電流計と、 この電圧計と電流計で検出した発電初期の出力電圧と
負荷電流との関係を記憶し、この関係に基づいて発電初
期以降の負荷電流検出値に対する出力電圧値を目標値と
して取り出し、前記目標値と発電初期以降の出力電圧検
出値との偏差により冷却媒体を介してセルスタックの電
池温度を制御する制御手段と、 を設けるものとする。
〔作用〕
燃料電池で発電した電力を外部負荷に送電する際、運
転の経過に伴って燃料電池の出力特性は前述のように低
下し、長時間運転後の負荷電流に対する出力電圧は低下
する。したがって、この低下した出力電圧を電圧計で検
出し、この出力電圧検出値と、メモリーに記憶した発電
初期の出力電圧と負荷電流の関係から取り出される発電
初期以降の負荷電流検出値に対する出力電圧値（目標
値）との偏差によりセルスタックの電池温度を冷却媒体
を介して制御する。例えば、冷却媒体の流量の制御によ
り電池温度を上昇させて電圧を発電初期の電圧まで上昇
させることにより送電する電力の電流値を低下させて所
定の電力を送電する。ここで、電池温度を上昇させるこ
とにより電圧が上昇するのは、第４図の燃料電池の電池
温度と出力電圧との関係を示すグラフにおける特性曲線
18で示すように電池温度が上昇するにつれて出力電圧が
上昇する特性を有しているからである。
〔実施例〕
以下図面に基づいて本発明の実施例について説明す
る。第１図は本発明の実施例による燃料電池の運転制御
装置の制御系統図である。なお、第１図において第２図
の従来例と同一部品には同じ符号を付し、その説明を省
略する。第１図において従来例と異なるのは燃料電池１
から電力変換器11を経て外部負荷12に送電する電力の電
圧と電流、すなわち燃料電池１の出力電圧と負荷電流と
をそれぞれ検出する電圧計21と電流計22とを設け、電圧
計21と電流計22とで検出した出力電圧と負荷電流とを入
力し、燃料電池１の電力を外部負荷12に送電する時の発
電初期の出力電圧と負荷電流との関係を記憶し、さらに
この関係に基づいて送電時の発電初期以降の電力の負荷
電流に対する出力電圧を目標値として取出し可能なメモ
リー23を設け、初期以降の前記電力の負荷電流に対する
出力電圧とメモリー23からのこの負荷電流に対する出力
電圧の目標値との偏差により循環ファン３の回転数を制
御して冷却空気の流量を制御することによりセルスタッ
クの電池温度を制御する温度調節器24を設けたことであ
る。
このような制御系統により、燃料電池１が発電して外
部負荷12に送電する際、発電初期の出力電圧と負荷電流
との関係はメモリー23に記憶される。そして初期以降の
送電する電力は、その負荷電流に対する初期時の出力電
圧がメモリー23から目標値として出力され、この出力電
圧の目標値と送電する前記電力の出力電圧とは温度調節
器24に入力され、この両者の偏差により循環ファン３の
回転数が制御されて冷却空気の流量が制御され、セルス
タックの電池温度が制御される。この場合、第４図に示
す電池温度と出力電圧との関係から明らかなように初期
以降では初期に比べて電池温度が高くなるように冷却空
気の流量は減小するように制御される。
このようにして燃料電池１が設定負荷の電力を送電す
る際、初期以降の電力に対すても初期の高い出力電圧が
保持されるので負荷電流を少なくして設定負荷の電力を
送電することができる。
〔発明の効果〕
以上の説明から明らかなように、本発明によれば燃料
電池の発電初期の出力電圧と負荷電流との関係を記憶
し、この関係に基づいて発電初期以降の負荷電流検出値
に対する出力電圧値を目標として取り出し、前記目標値
と発電初期以降の出力電圧検出値とを比較して、その偏
差により電池温度を冷却媒体を介して制御するようにし
たことにより、発電初期以降の送電電力は発電初期の電
圧まで上昇して外部負荷に送電され、このため送電する
所定の電力の電流値は小さくなるので、電力変換器の電
力用半導体素子を必要最小数にすることができ、あるい
は素子の容量を大きくする必要がなくなり、これに伴っ
て電力変換器の損失が小さくなるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
第１図は本発明の実施例による燃料電池の運転制御装置
の制御系統図、第２図は従来の燃料電池の運転制御装置
の制御系統図、第３図は燃料電池の発電初期と長期運転
後の出力電圧と負荷電流との関係である出力特性を示す
図、第４図は燃料電池の電池反応時の電池温度と出力電
圧との関係を示す図である。 1:燃料電池、11:電力変換器、12:外部負荷、21:電圧
計、22:電流計、23:メモリー、24:温度調節器。

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】単電池を積層してなるセルスタックに反応
    ガスを供給して起きる電池反応により発生する電力を電
    力変換器を経て外部負荷に送電し、電池反応に伴って発
    生する熱をセルスタックに供給される冷却媒体により除
    熱してセルスタックを冷却する燃料電池において、 燃料電池の出力電圧を検出する電圧計と、 負荷電流を検出する電流計と、 この電圧計と電流計で検出した発電初期の出力電圧と負
    荷電流との関係を記憶し、この関係に基づいて発電初期
    以降の負荷電流検出値に対する出力電圧値を目標値とし
    て取り出し、前記目標値と発電初期以降の出力電圧検出
    値との偏差により冷却媒体を介してセルスタックの電池
    温度を制御する制御手段と を備えたことを特徴とする燃料電池の運転制御装置。
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