JPH07105964A

JPH07105964A - 燃料電池発電装置およびその制御方法

Info

Publication number: JPH07105964A
Application number: JP5248371A
Authority: JP
Inventors: Masataka Fujii; 優孝藤井
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 1993-10-05
Filing date: 1993-10-05
Publication date: 1995-04-21

Abstract

(57)【要約】【目的】出力する電流が変動する場合であっても、ガス
欠が発生せず，しかも燃料消費率が増大することの無い
燃料電池発電装置およびその制御方法を提供する。【構成】燃料電池発電装置８Ａは、従来例の燃料電池発
電装置の制御装置が持つ演算部，遅延部に替えて、制御
部１１を備える制御装置１を用いると共に、供給量情報
発信器として燃料ガス３Ａの圧力値に関する信号６Ａを
出力する圧力検出器６を用いる。制御部１１は、指令７
Ａによる電流値指令に変化が有った場合に変化発生信号
１２Ａを出力する電流値指令判別回路部１２と、信号１
２Ａが出力された場合にその時点の信号６Ａを基本値と
して記憶し、以降，基本値の信号１３Ａを出力する記憶
回路部１３と、基本値に対する時々刻々の信号６Ａの比
率を演算し、この演算された比率に対応させ、負荷９に
出力すべき電流９Ａの値に関する指令１１Ａを変換装置
５に出力する制御用演算部１４を備える。

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
係わり、燃料電池に供給される燃料ガスの供給量に対応
させてその電気出力を適切に制御するよう改良された燃
料電池発電装置およびその制御方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、燃料が持っている化学的エネルギ
ーを直接に電気エネルギーに変換する燃料電池が知られ
るようになり、他のエネルギー機関と比較して、エネル
ギーの回収効率が比較的高く、しかも炭酸ガスや窒素酸
化物等の大気汚染物質の排出量が少ないことから、いわ
ゆるクリーン・エネルギー源として期待されている。こ
の燃料電池としては、これに使用される電解質の種類に
より、固体高分子電解質型，りん酸型，溶融炭酸塩型，
固体酸化物型などの各種の燃料電池が既に知られてい
る。

【０００３】以下に、電解質としてりん酸を用いている
りん酸型燃料電池を主たる対象として、従来例による燃
料電池発電装置およびその制御方法について説明する。
図３は、従来例の燃料電池発電装置の要部の構成をその
負荷と共に示すブロック図である。図３において、２は
周知のりん酸型燃料電池、３はりん酸型燃料電池（以
降、単に燃料電池と略称することがある。）２に水素に
富んだ燃料ガス３Ａを供給する燃料ガス供給装置、４は
燃料電池２に酸素を多く含む大気等の酸化剤ガス４Ａを
供給する酸化剤ガス供給装置、５は燃料電池２が発電し
た直流電気を単相交流電気に変換する周知の変換装置、
６，６１，６２は、それぞれ燃料ガス３Ａが通流する供
給側の管路３１の適所に装着され，設置された位置にお
ける燃料ガス３Ａが持つ圧力値に対応する信号を出力す
る周知の圧力検出器、７は制御装置である。燃料電池
２，燃料ガス供給装置３，酸化剤ガス供給装置４，変換
装置５，圧力検出器６，６１，６２および制御装置７に
より従来例による燃料電池発電装置８の主要部が構成さ
れている。なお、燃料電池発電装置８で発電された単相
交流電気は、負荷９に供給されて負荷９の動作に使用さ
れる。

【０００４】燃料ガス供給装置３には、燃料ガス３Ａの
原料であるこの事例の場合にはメタノールと水との混合
液３３Ａを貯留する貯留槽３３と、混合液３３Ａの供給
とその供給量の調整を兼ねる周知の電動ポンプ３４と、
混合液３３Ａが通流する管路に装着され，混合液３３Ａ
の流量に対応した信号を出力する周知の流量検出器３５
と、電動ポンプ３４を所望の量の混合液３３Ａを供給さ
せるように制御する制御装置３６と、混合液３３Ａをガ
ス化して原燃料ガス３７Ａを得るための周知の加熱器３
７と、原燃料ガス３７Ａを触媒により改質して燃料ガス
３Ａを得る燃料改質器３２と、燃料改質器３２の下流側
の管路３１に設置されて，燃料ガス３Ａに含まれる固形
微粉末を除去する周知のフィルタ装置３８と、燃料改質
器３２の下流側になる管路３１に設置されて，燃料ガス
３Ａ中に存在する過剰な水分を除去する周知の気水分離
器３９とが備えられている。

【０００５】制御装置３６には、図３中に示すように、
制御装置７からの後記する燃料ガス量指令７１Ａが入力
されると共に、流量検出器３５が出力する混合液３３Ａ
の流量に対応した信号が入力され、制御装置３６はこれ
等の信号を基にして、混合液３３Ａの流量が燃料ガス量
指令７１Ａによる値となるように、電動ポンプ３４のフ
ィードバック制御を行っている。

【０００６】酸化剤ガス供給装置４には、酸化剤ガス４
Ａの供給とその供給量の調整を兼ねる周知の電動ブロワ
４１と、電動ブロワ４１を所望の量の酸化剤ガス４Ａを
供給させるように制御する制御装置４２とが備えられて
いる。りん酸型燃料電池２は、既によく知られているよ
うに、電解質であるりん酸を含んだ図示しない多孔質の
電解質層を間に挟んで対峙して配置された，燃料電極２
１と酸化剤電極２２とからなる単位燃料電池セルの積層
体を備えている。りん酸型燃料電池２は、管路３１によ
り燃料ガス供給装置３から供給された燃料ガス３Ａを燃
料電極２１に通流させ、また、酸化剤ガス供給装置４か
ら供給された酸化剤ガス４Ａを酸化剤電極２２に通流さ
せ、電解質層を介して燃料ガス３Ａ中の水素と、酸化剤
ガス４Ａ中の酸素とを電気化学反応させることにより、
燃料電極２１と酸化剤電極２２との間に直流電気を発生
させる。なお、燃料電極２１中を通流して水素を前記の
反応のために消費して，水素濃度が低減した燃料ガス３
Ａは、燃料ガス供給装置３が備える回収用の管路３１Ａ
中を通流させて回収される。

【０００７】燃料ガス供給装置３が備える燃料改質器３
２は、内部に改質触媒が充填された改質触媒管３２１
と、管路３１Ａから供給される水素濃度が低減した燃料
ガス３Ａと，燃焼用空気ライン３２２から供給される燃
焼用空気を燃焼室３２３で燃焼させるバーナ３２４とを
備えている。燃料改質器３２では、燃料ガス３Ａと燃焼
用空気との燃焼ガスにより改質反応に適した温度に加熱
された改質触媒管３２１に、ガス状のメタノールと水蒸
気の混合ガス体である原燃料ガス３７Ａを通流させ、改
質触媒により水素に富んだ燃料ガス３Ａに改質する。燃
料ガス３Ａは、管路３１中を通流し、フィルタ装置３８
で改質触媒が破損すること等で生じた固形微粉末を除去
され、さらに、気水分離器３９により余剰な水分が除去
されたうえで、燃料電池２に供給されることになる。な
お、燃焼室３２３で燃焼が行われることで生じた燃料排
ガスは、燃料排ガスライン３２５から大気中に排出され
る。

【０００８】制御装置７は、演算部７１と、演算部７２
と、遅延部７３とを備えている。演算部７１は、図示し
ない指令元から出力された負荷９に供給すべき電流９Ａ
の値に関する指令７Ａを入力し、指令７Ａに対応する電
流９Ａの値を供給できる量の反応ガス（以降、燃料ガス
３Ａと酸化剤ガス４Ａを総称する場合には、このように
言うことがある。）量をよく知られたファラデーの法則
による理論式を基に演算し、この演算結果に従う燃料ガ
ス量指令７１Ａおよび酸化剤ガス量指令７１Ｂとを出力
する。演算部７２は、指令７Ａを入力し、指令７Ａに対
応する変換装置５を制御する制御量を演算し、指令７Ａ
が電流９Ａの値を増大させる内容である場合には、この
演算結果に従う制御指令７２Ａを、燃料ガス量指令７１
Ａとほぼ同一のタイミングで遅延部７３に出力する。ま
た、演算部７２は、指令７Ａが電流９Ａの値を減少させ
る内容である場合には、前記の演算結果に従う制御指令
７２Ａを、燃料ガス量指令７１Ａとほぼ同一のタイミン
グで、直接，変換装置５に出力する。遅延部７３は、指
令７Ａが電流９Ａの値を増大させる内容である場合に、
これに対応する前記の制御指令７２Ａを入力し、後記す
る遅延時間；Δｔ₃の後に、制御指令７２Ａと同一内容
の指令である制御指令７３Ａを出力する。

【０００９】ところで、燃料ガス量指令７１Ａが出力さ
れた際に、実際に燃料電池２に供給される燃料ガス３Ａ
の供給量が燃料ガス量指令７１Ａに基づく量に変更され
るまでに、燃料ガス供給装置３における前記した混合液
３３Ａの供給量の変更処理にある程度の時間を要するこ
と、あるいは供給量が変更された混合液３３Ａおよびそ
れが改質された燃料ガス３Ａが、燃料改質器３２，フィ
ルタ装置３８，気水分離器３９，さらには管路３１等を
通流して燃料電池２に到達するまでにかなりの時間を要
することのために、ある時間が必要である。前記した遅
延時間（Δｔ₃）は、これらの時間に対応する時間であ
る。

【００１０】変換装置５は、制御装置７が出力する制御
指令７２Ａ，７３Ａを入力し、燃料電池２が発電した直
流電気を単相交流電気に変換し、指令７Ａに基づく値を
持つ電流９Ａを負荷９に供給する。圧力検出器６，６
１，６２については、圧力検出器６は管路３１の燃料電
池２の入口部に、圧力検出器６１は管路３１のフィルタ
装置３８の入口部に、また、圧力検出器６２は管路３１
の気水分離器３９の入口部にそれぞれ装着され、設置さ
れた位置における燃料ガス３Ａが持つ圧力値に対応する
信号６Ａ，６１Ａ，および６２Ａを、図示しない警報装
置等に出力する。燃料ガス３Ａが通流する通流路の閉塞
等により、圧力検出器６，６１，６２が設置されている
位置における燃料ガス３Ａの持つ圧力が所定の値を越え
ると、信号６Ａ，６１Ａ，６２Ａを入力している警報装
置は警報を発信して、燃料電池発電装置８の運転に対処
を行うよう促すのである。

【００１１】前記の構成を備えた従来例による燃料電池
発電装置８は、例えば、負荷９に電流値；Ｉ_Aを持つ電
流９Ａを供給せよとする指令７Ａである指令；Ｓ_Aが入
力されている場合には、制御装置７からは、この指令
（Ｓ_A）に対応する燃料ガス量指令７１Ａである指令；
ｓ_Aが出力されており、燃料ガス供給装置３では、この
指令（ｓ_A）を受けて、電流値（Ｉ_A）に対応する流
量；ｑ_Aの混合液３３Ａが電動ポンプ３４により貯留槽
３３から供給されている。この流量（ｑ_A）の混合液３
３Ａは、加熱器３７で加熱されて気化し原燃料ガス３７
Ａとなって燃料改質器３２に供給される。原燃料ガス３
７Ａが燃料改質器３２により供給量；Ｑ_Aの水素に富ん
だ燃料ガス３Ａに改質され、フィルタ装置３８，気水分
離器３９を経て燃料電池２の持つ燃料電極２１に供給さ
れる。また、酸化剤ガス供給装置４では、制御装置７か
ら出力されている指令７Ａに対応する酸化剤ガス量指令
７１Ｂを受けて、電流値（Ｉ_A）に対応する供給量；Ｑ
_4Aの酸化剤ガス４Ａが燃料電池２が持つ酸化剤電極２２
に供給される。燃料電池２では、燃料ガス３Ａと酸化剤
ガス４Ａとの前記の供給量に対応する直流電気が発生さ
れており、この結果、変換装置５からは負荷９に電流値
（Ｉ_A）の電流９Ａが供給されている。なお、この際に
遅延部７３からは制御指令７３Ａである指令；ｉ_Aが出
力されている。以上の状態が図４中に示すタイミングチ
ャートの左側半分に示されている。

【００１２】なおここで、圧力検出器６を例に採り、圧
力検出器６等が出力している信号について述べる。圧力
検出器６は燃料電池２の入口部に位置する管路３１に設
置されているので、圧力検出器６が検出している圧力値
は、供給量（Ｑ_A）の燃料ガス３Ａが燃料電池２の持つ
燃料電極２１中で発生する圧力降下値にほぼ対応するも
のである。この圧力降下値は、よく知られているよう
に、供給量（Ｑ_A）の二乗にほぼ比例した関係に有るの
で、結局，圧力検出器６が出力している信号は、供給量
（Ｑ_A）にほぼ対応している信号である。

【００１３】この状態で運転していた燃料電池発電装置
８に、図４の右側半分に示したように、時刻；ｔ₀で、
負荷９に電流値（Ｉ_A）よりも大きい値である電流値；
Ｉ_Bを持つ電流９Ａを供給せよとする指令値が変化した
指令７Ａである指令；Ｓ_Bが入力されたとする。制御装
置７からは、ほとんど瞬時に、従ってほぼ時刻（ｔ₀）
で、この指令（Ｓ_B）に対応する燃料ガス量指令７１Ａ
である指令；ｓ_Bが出力される。燃料ガス供給装置３で
は、この指令（ｓ_B）を受けて、混合液３３Ａの流量を
電流値（Ｉ_B）に対応する流量；ｑ_Bに増量すべく直ち
に電動ポンプ３４が増速を開始し、比較的に短時間で流
量（ｑ_B）に到達する。しかし、燃料電池２に供給され
る燃料ガス３Ａの供給量は、前記した理由により時刻
（ｔ₀）から遅延時間；Δｔ₁遅れた時刻；ｔ₁頃に増
量が開始される。その後、燃料ガス３Ａの供給量は序々
に増量が続き、時刻（ｔ₀）から遅延時間；Δｔ₂だけ
遅れた時刻；ｔ₂頃になって、電流値（Ｉ_B）に対応す
る供給量；Ｑ_Bの燃料ガス３Ａが燃料電池２に供給され
ることとなる。

【００１４】制御装置７から変換装置５に与えられる制
御指令７３Ａは、上記した燃料ガス３Ａの遅延時間（Δ
ｔ₁），（Δｔ₂）による供給遅れを勘案し、多少の余
裕を考慮して遅延時間；Δｔ₂よりもやや長い時間とし
た遅延時間（Δｔ₃）の経過後の時刻；ｔ₃に制御装置
７から、電流値（Ｉ_B）に対応する指令；ｉ_Bが出力さ
れる。これにより、燃料電池発電装置８は、変更された
後の指令７Ａに基づく電流値（Ｉ_B）の電流９Ａを負荷
９に供給することができることとなる。

【００１５】なお、図４を用いた上記の説明では、負荷
９に供給する電流９Ａを増大する場合について述べた
が、電流９Ａを減少する場合も、後記するところによる
水素に関する利用率が１００〔％〕にならないようにす
るために、次の処置がなされている。すなわち、電流９
Ａの値を減少させる指令７Ａが入力された場合には、制
御装置７は、燃料ガス３Ａの供給量；Ｑを低減させる指
令７１Ａ、および酸化剤ガス４Ａの供給量；Ｑ₄を低減
させる指令７１Ｂとを出力すると同時に、変換装置５
に、遅延部７３を経由させずに直接、直接電流９Ａの値
を減少させる制御指令７２Ａを出力する。

【００１６】ところで、燃料電池２に供給する燃料ガス
３Ａの供給量（Ｑ）および酸化剤ガス４Ａの供給量（Ｑ
₄）は、燃料電池２が発電すべき電流９Ａに対応する直
流電流値に対応して、ファラデーの法則による理論式か
ら求めることができる水素と酸素の理論消費量を基に定
められるのが一般である。実際には、供給量（Ｑ），
（Ｑ₄）は、前記した理論消費量に対応する量よりも過
剰にされているので、理論消費量に対応する供給量
（Ｑ），（Ｑ₄）の値の、実際の供給量（Ｑ），
（Ｑ ₄）の値に対する百分率を利用率と呼んで、この利
用率を用いて実際の供給量（Ｑ），（Ｑ₄）を管理して
いる。

【００１７】燃料電池２には、その出力する電流と電圧
の関係が、この利用率に大きく依存するという性質があ
り、特に、水素に関する〔すなわち供給量（Ｑ）に関す
る〕利用率が大きくなり１００〔％〕に近づくほど、同
一出力電流値に対する出力電圧値が低下し、発電効率が
低下すると共に、燃料電池２の寿命も短くなる傾向にあ
る。またこれとは逆の、利用率が小さくなることは、同
一出力電流値に対する混合液３３Ａの流量；ｑ（水素に
関して），あるいは酸化剤ガス４Ａの供給量（Ｑ₄）
（酸素に関して）を増大させることであり、必要以上の
燃料，酸化剤を供給させることと、この必要以上の燃
料，酸化剤を供給させることで、電動ポンプ３４，電動
ブロワ４１等の補機で消費する電力が増加する等のため
に燃料電池発電装置８としての効率が低下する。

【００１８】これらのことを総合的に勘案して、燃料電
池発電装置８では、通常、水素の利用率を７０〜８０
〔％〕程度、また、原料が大気であるため安価であり、
また改質処理が不要である酸素の利用率は、水素の利用
率よりも小さく４０〜６０〔％〕程度に設定している。
このために、燃料ガスの供給にあたる燃料ガス供給装置
３では、混合液３３Ａの流量を常時燃料ガス量指令７１
Ａに対応した値とするために、電動ポンプ３４に対して
はフィードバック制御によりその制御を行っているが、
しかし、酸化剤ガス供給装置４では、電動ブロワ４１に
対しては、勿論フィードバック制御を行っても何ら差し
支え無いのであるが、酸化剤ガス供給装置４が利用率が
小さい酸化剤ガスを供給するものであるので、燃料電池
発電装置８では酸化剤ガス量指令７１Ｂのみに対応する
だけの簡単な制御を採用する場合が多いのである。

【００１９】燃料ガス３Ａの原料としては、前記したメ
タノールと水との混合液３３Ａを用いる以外に、例え
ば、メタノールと水あるいは水蒸気を個別に供給する方
式や、原燃料として天然ガス等を用いる方式も知られて
いる。また、変換装置５としては、前記した直流電気を
単相交流電気に変換する以外に、直流電気を多相交流電
気に変換する装置、また、燃料電池２が発電する出力電
流値により電圧が変化する直流電気を、電流値に係わら
ず一定値の直流電圧を出力する装置等も知られている。

【００２０】

【発明が解決しようとする課題】前述した従来技術によ
る燃料電池発電装置８は、変動する負荷に対して、その
変動が比較的に穏やかであるならば、十分安定して負荷
９に電力を供給することが可能である。しかし、従来の
燃料電池発電装置８においては次記する問題が有る。す
なわち、制御装置７では、例えば，電流９Ａを増大させる場合
には、変換装置５に対する制御指令７３Ａを、燃料ガス
３Ａの供給量（Ｑ）の応答遅れを考慮し、さらに安全を
見込んで、燃料ガス量指令７１Ａよりも遅延時間（Δｔ
₃）だけ遅らして出力しているので、変換装置５から出
力される電流９Ａは、図４に例示した事例について述べ
れば、燃料ガス３Ａが指令７Ａに対応した供給量（Ｑ）
に到達後、式（１）による時間差；Δｔの遅れにより指
令７Ａに対応した値になるようにしている。

【００２１】

【数１】 Δｔ＝Δｔ₃−Δｔ₂ ……………………（１）このことは、前記した燃料電池２の持つ性質に対処し
て、燃料電極２１部を通流している燃料ガス３Ａ中の水
素含有量を絶対に零にしないようにするためには、止む
を得ないことではある。しかし、これにより、少なくと
も時間差（Δｔ）の間は、供給量（Ｑ_B）による燃料ガ
ス３Ａは供給量（Ｑ_A）の分しか利用されていないこと
を意味する。また、電流９Ａを減少させる場合には、少
なくとも遅延時間（Δｔ₁）に相当する時間では、燃料
ガス３Ａの一部は電流の発生には寄与しないこととな
る。これ等の理由で、指令７Ａにより頻繁に電流９Ａの
値が変更する運転をされる場合には、燃料電池発電装置
８の燃料消費率が大幅に増大してしまうことになる。ま
た、前記の項で指摘した時間差（Δｔ）の存在は、電流
９Ａの値を変更する場合に、その変更に要する時間〔遅
延時間（Δｔ₃）がこれに相当する。〕がこの時間差
（Δｔ）だけ余分に長くなることでもある。このこと
は、負荷が要求する電流値の変動に対して、迅速な対応
を困難にしている。さらに、遅延時間（Δｔ₂）は、前記したような種々の要因に
より発生するものであるので、その値を正確に算定する
ことは極めて困難なことである。このために、燃料電池
発電装置８の製造完成時に試験を実施し、これから得ら
れた遅延時間を基に遅延時間（Δｔ₃）を設定するのが
一般である。しかしながら、燃料電池発電装置８を長時
間運転するうちに、前記した要因の経年変化あるいは予
期せぬ事態の発生等のために、遅延時間（Δｔ₂）が大
きく変化して、設定した遅延時間（Δｔ₃）より長くな
ることを無しとしない。遅延時間（Δｔ₂）が遅延時間
（Δｔ₃）よりも長くなると、電流９Ａの値を増大する
指令７Ａが入力された場合に、燃料ガス３Ａの供給量が
短時間ではあるが不足して、水素に関する利用率が１０
０〔％〕（以降、このことを通称に従い、ガス欠と記述
することがある。）になり、燃料電池２を損傷させる可
能性が起こりえるのである。

【００２２】今までは、りん酸型燃料電池を対象にして
燃料電池発電装置の持つ問題点を説明してきたが、燃料
電池に固体高分子電解質型燃料電池を採用する場合も、
燃料改質器が必要なことから、りん酸型燃料電池の場合
とほとんど同一の問題を持っている。また、燃料電池と
して溶融炭酸塩型，固体酸化物型燃料電池を採用した場
合では、一般に燃料改質器は必要としないが、使用する
原燃料によっては気化器が必要になる場合があったり、
また原燃料源から燃料電池の間が比較的に離間している
場合が有りえ、こうした場合等にもりん酸型燃料電池の
場合と同様の問題が発生するのである。

【００２３】この発明は、前述の従来技術の問題点に鑑
みなされたものであり、その目的は、出力する電流が変
動する場合であっても、ガス欠が発生せず，しかも燃料
消費率が増大することの無い燃料電池発電装置およびそ
の制御方法を提供することにある。

【００２４】

【課題を解決するための手段】この発明では前述の目的
は、１）燃料ガスと酸化剤ガスとの供給を受けて直流電気を
発生する燃料電池と、燃料電池に燃料ガスを供給する燃
料ガス供給装置と、燃料電池に酸化剤ガスを供給する酸
化剤ガス供給装置と、燃料電池で発電された直流電気を
交流電気または電圧等の異なる直流電気に変換して負荷
に供給する変換装置と、負荷に供給を要する電流の値に
対応して，燃料ガス供給装置が供給すべき燃料ガス供給
量に関する指令を出力する演算部を有する制御装置とを
備えた燃料電池発電装置において、燃料電池発電装置
は、燃料電池に供給される燃料ガスを通流する通流路
に、燃料ガスの供給量に対応する信号を出力する供給量
情報発信器を備え、制御装置は、前記の供給量情報発信
器から出力された信号を入力し、この信号に対応させて
変換装置が負荷に出力すべき電流値に関する指令を出力
する制御部を備えてなる構成とする、また２）前記１項記載の手段において、制御装置が備える制
御部は、制御用演算部と、制御装置に入力される電流値
に関する指令の変化の有無を判別し，指令された電流値
に変化が有った場合には変化発生信号を出力する電流値
指令判別手段と、基本供給量情報を記憶する記憶手段と
を備え、記憶手段は、変化発生信号が電流値指令判別手
段から出力された時点以降であって，燃料ガス供給量に
まだ変化が生じていない期間における供給量情報発信器
が出力している信号を，基本供給量情報として少なくと
も新たな変化発生信号が出力されるまで保持するもので
あり、制御用演算部は、前記の基本供給量情報に対する
供給量情報発信器が出力する信号の比率を演算し，この
演算された比率に対応させて変換装置が負荷に出力すべ
き電流値に関する指令を出力する構成とする、また３）前記１項または２項に記載の手段において、供給量
情報発信器は、燃料電池に供給される燃料ガスが通流す
る通流路に装着され，装着された位置における燃料ガス
の持つ圧力値に対応する信号を発信する圧力検出器であ
る構成とする、また４）燃料ガスと酸化剤ガスとの供給を受けて直流電気を
発電する燃料電池と、燃料電池に燃料ガスを供給する燃
料ガス供給装置と、燃料電池に酸化剤ガスを供給する酸
化剤ガス供給装置と、燃料電池で発電された直流電気を
交流電気または電圧の異なる直流電気に変換して負荷に
供給する変換装置と、燃料電池に供給される燃料ガスを
通流する通流路に装着され，燃料ガスの供給量に対応す
る信号を出力する供給量情報発信器と、負荷に供給を要
する電流の値に対応して，燃料ガス供給装置が供給すべ
き燃料ガス供給量に関する指令を出力する演算部と、前
記の供給量情報発信器から出力された信号を入力し，こ
の信号に対応させて変換装置が負荷に出力すべき電流値
に関する指令を出力する制御部とを有する制御装置とを
備えた燃料電池発電装置の制御方法であって、制御装置
に入力される電流値に関する指令の変化の有無を判別す
る制御手順と、指令された電流値に変化が有った場合に
は変化発生信号を出力する制御手順と、変化発生信号が
出力された時点以降であって，燃料ガス供給量にまだ変
化が生じていない期間における供給量情報発信器が出力
している信号を，基本供給量情報として記憶手段に記憶
する制御手順と、前記の基本供給量情報に対する変化発
生信号が入力された以降の供給量情報発信器が出力する
信号の比率を演算する制御手順と、この演算された比率
に対応させて変換装置が負荷に出力すべき電流値に関す
る指令を出力する制御手順とからなる制御方法とする、
さらにまた５）前記４項記載の手段において、供給量情報発信器
は、燃料電池に供給される燃料ガスが通流する通流路に
装着され，装着された位置における燃料ガスの持つ圧力
値に対応する信号を発信する圧力検出器である制御方法
とする、ことにより達成される。

【００２５】

【作用】この発明においては、燃料電池発電装置におい
て、前記の構成と、前記の制御方法にすることにより、負荷に供給する電流の値を変更せよとの指令が制御装
置に入力されると、まず電流値指令判別手段は、指令さ
れた電流値が変化したことを判別し、変化発生信号を出
力する。この変化発生信号を受け取った記憶手段は、記
憶すべき基本供給量情報を改めると共に、この新たな基
本供給量情報を出力する。制御用演算部は、供給量情報
発信器から出力された信号と、前記の新しい基本供給量
情報との比率を演算し、この演算された比率に対応させ
て変換装置が負荷に出力すべき電流値に関する指令を出
力する。この供給量情報発信器が出力する信号を用い
て、基本供給量情報として入力されている供給量情報発
信器の出力信号と、時々刻々の供給量情報発信器の出力
信号との比率をとることは、とりもなおさず、基本供給
量情報を入力した以降の、燃料ガスの供給量の変化倍率
に関する現在値を把握できることである。この燃料ガス
の供給量の変化倍率に対応させて変換装置が負荷に出力
すべき電流値に関する指令を出力することで、変換装置
は、燃料ガスの供給量に従って燃料電池が出力する電流
値に対応した値を持つ電流を、負荷に出力することが可
能になる。また供給量情報発信器として、燃料電池に供給される燃料
ガスが通流する通流路に装着され，装着された位置にお
ける燃料ガスの持つ圧力値に対応する信号を発信する圧
力検出器を用いることで、圧力検出器が検出する圧力検
出器が設置された位置における燃料ガスが持つ圧力値；
ｐは、よく知られているごとく、燃料ガスの供給量
（Ｑ）に対し式（２）の関係があることで、圧力値
（ｐ）から前記の項で記述した作用を得るのに必要な
供給量（Ｑ）を把握することができるのである。

【００２６】

【数２】ｐ∝Ｑ² ……………………（２）

【００２７】

【実施例】以下この発明の実施例を図面を参照して詳細
に説明する。図１は、この発明の一実施例による燃料電
池発電装置の要部の構成をその負荷と共に示すブロック
図である。図１において、図３に示した従来例による燃
料電池発電装置等と同一部分には同じ符号を付し、その
説明を省略する。なお、図１中には、図３で付した符号
については、代表的な符号のみを記した。

【００２８】図１において、８Ａは、図３に示した従来
例による燃料電池発電装置８に対して、制御装置７に替
えて制御装置１を用いるようにした燃料電池発電装置で
ある。制御装置１は、制御装置７における演算部７２お
よび遅延部７３に替えて、制御部１１を用いるようにし
ている。制御部１１は、電流値指令判別手段である電流
値指令判別回路部１２と、記憶手段である記憶回路部１
３と、制御用演算部１４とを備えている。また、燃料電
池発電装置８Ａは、供給量情報発信器として燃料電池発
電装置８が警報の発信用として備えていた圧力検出器６
を用い、燃料ガス３Ａの供給量（Ｑ）の情報として圧力
検出器６が出力する燃料ガス３Ａが持つ圧力値に対応す
る信号６Ａを用いている。

【００２９】電流値指令判別回路部１２（以降、単に回
路部１２と略称することがある。）は、例えば、指令７
Ａを記憶する記憶回路と，この記憶回路に記憶されてい
る内容と新たな指令７Ａとを比較する比較回路とを備
え、指令７Ａを入力し、指令７Ａにより指令された電流
値に変化が有った場合には、記憶回路に新たな指令７Ａ
の内容を記憶すると共に、比較回路から変化発生信号１
２Ａ（以降、単に信号１２Ａと略称することがある。）
を出力する。

【００３０】記憶回路部１３（以降、単に回路部１３と
略称することがある。）は、基本圧力値；ｐ₀を記憶す
る回路であり、圧力検出器６が出力している圧力値；ｐ
₆に対応する信号６Ａと，信号１２Ａとを入力し、回路
部１２から信号１２Ａが出力された場合に、その時点で
入力されている圧力値；ｐ₆を基本圧力値（ｐ₀）とし
て記憶し、以降、基本圧力値（ｐ₀）に対応する信号１
３Ａを出力する。

【００３１】制御用演算部１４（以降、単に演算部１４
と略称することがある。）は、指令７Ａ，信号６Ａおよ
び信号１３Ａを入力し、基本圧力値（ｐ₀）に対する時
々刻々の圧力値（ｐ₆）の比率を演算し、この演算され
た比率に対応させ、また、式（２）による圧力値（ｐ）
と燃料ガス３Ａの供給量（Ｑ）の関係から燃料ガス３Ａ
の供給量（Ｑ）の現在値を演算し、変換装置５が負荷９
に出力すべき電流９Ａの値に関する指令１１Ａを変換装
置５に出力する。

【００３２】前記の構成を備える制御装置１により制御
される燃料電池発電装置８Ａの、主要な量のタイムチャ
ートを図２に示す。従来例の燃料電池発電装置８につい
て示したタイムチャートである図４と同一部分には同じ
符号を付し、その説明を省略する。燃料電池発電装置８
Ａに、図２の右側半分に示したように、例えば時刻（ｔ
₀）で、負荷９に電流値（Ｉ_A）よりも大きい値である
電流値（Ｉ_B）を持つ電流９Ａを供給せよとする指令値
が変化した指令７Ａである指令（Ｓ_B）が入力されたと
する。この場合、制御装置１の備える演算部７１は、従
来例による制御装置７の備える演算部７１と同一の変更
動作を行う。一方，回路部１２は、指令７Ａが指令（Ｓ
_A）から指令（Ｓ_B）に変化したことを判別し信号１２
Ａを出力する。信号１２Ａを受け取った回路部１３は、
記憶する基本圧力値（ｐ₀）を時刻（ｔ₀）における圧
力値（ｐ₆）に改め、以降、この改められた基本圧力値
（ｐ₀）に対応する信号１３Ａを出力する。演算部１４
は、信号１３Ａに対する時々刻々に出力される信号６Ａ
〔圧力検出器６から出力される圧力値（ｐ₆）に対応す
る信号である。〕との比率を演算し、この演算された比
率に対応させて変換装置５が負荷９に出力すべき電流９
Ａの値に関する指令１１Ａを出力する。このために、指
令１１Ａは、燃料ガス３Ａの供給量（Ｑ）の時間に対す
る変化の推移とほとんど同形になる。

【００３３】従って、燃料電池２が供給される反応ガス
により出力する直流電流の現在値は、図２中に示されて
いる，変換装置５が負荷９に出力する時々刻々の電流９
Ａの値に対応したものとなる。これにより、燃料ガス３
Ａの供給量（Ｑ）に関する遅延時間（Δｔ₁），（Δｔ
₂）が、経年変化等により変化したとしても、変化後の
遅延時間（Δｔ₁），（Δｔ₂）に対応した指令１１Ａ
が出力されるので、燃料電池２における水素に関する利
用率は、どの時刻においてもほぼ一定にすることがで
き、ガス欠の発生を排除することが可能になると共に、
電流の発生に寄与しない燃料ガス３Ａが多量に存在する
問題を排除することも可能になる。

【００３４】また、指令１１Ａが、燃料ガス３Ａの供給
量（Ｑ）の時間に対する変化の推移と同形となることに
より、従来例の燃料電池発電装置８において存在してい
た式（１）による時間差（Δｔ）を設ける必要が無くな
り、負荷９が要求する電流９Ａの値の変動に対して迅速
な対応が容易となる。今までの説明では、供給量情報発
信器として用いる圧力検出器は、圧力検出器６であると
してきたが、これに限定されるものではなく、例えば、
圧力検出器６１や圧力検出器６２であってもよいもので
ある。ただし、供給量情報発信器として圧力検出器６１
や圧力検出器６２を採用する場合には、管路３１に対す
る圧力検出器６１，６２の設置位置から、供給量情報発
信器として圧力検出器６を採用する場合と比較して、短
い遅延時間で圧力変化に対応する信号の出力が開始され
る。その時点では、圧力検出器６の場合とは異なり、燃
料電池２には変化後による供給量の燃料ガス３Ａがまだ
到達していない。従って、この場合には、圧力検出器６
１，６２等から出力される信号は、遅延時間が短かくな
った分を見込んで処理を行う必要がある。

【００３５】また今までの説明では、供給量情報発信器
は圧力検出器であるとしてきたが、これに限定されるも
のではなく、例えば、燃料ガスの流量に対応する信号を
出力する流量検出器であってもよいものである。ただ
し、圧力検出器とする場合は従来から警報用等に設置さ
れていた圧力検出器を利用できるのに対し、流量検出器
とする場合は新たに燃料ガスを供給する管路等に流量検
出器を設置しなければならない。

【００３６】

【発明の効果】この発明においては、前述の構成および
制御方法として、燃料電池発電装置が出力する電流値が
変動を受ける運転状態下であっても、水素に関する利用
率をどの時刻においてもほぼ一定にすることができ、ま
たこのことにより、前述した式（１）による時間差（Δ
ｔ）を設ける必要が無くなることにより、次記する効果
がある。すなわち、燃料ガスの増減の遅延時間が、機器の経時変化等が原
因で長くなったとしても、ガス欠の発生が防止される。
また燃料電池発電装置が出力する電流値が頻繁に変動され
る運転状態下であっても、燃料消費率の増大が防止され
る。また、燃料電池発電装置が出力する電流値が頻繁に変動され
る運転状態下であっても、電流値変更に対する迅速な応
答が可能になる。また、供給量情報発信器に圧力検出器を用いるようにするこ
とで、前記の，〜項による効果を得るのに当たり、
従来から警報用等に設置されていた圧力検出器を利用で
きるので、燃料電池発電装置の構造が複雑化することを
防止することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の一実施例による燃料電池発電装置の
要部の構成をその負荷と共に示すブロック図

【図２】図１による燃料電池発電装置の主要な量のタイ
ムチャート

【図３】従来例の燃料電池発電装置の要部の構成をその
負荷と共に示すブロック図

【図４】図３による燃料電池発電装置の主要な量のタイ
ムチャート

【符号の説明】

１制御装置１１制御部１１Ａ指令１２電流値指令判別回路部１２Ａ信号１３記憶回路部１３Ａ信号１４制御用演算部３Ａ燃料ガス６圧力検出器６Ａ信号７Ａ指令８Ａ燃料電池発電装置９負荷９Ａ電流

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】燃料ガスと酸化剤ガスとの供給を受けて直
流電気を発生する燃料電池と、燃料電池に燃料ガスを供
給する燃料ガス供給装置と、燃料電池に酸化剤ガスを供
給する酸化剤ガス供給装置と、燃料電池で発電された直
流電気を交流電気または電圧等の異なる直流電気に変換
して負荷に供給する変換装置と、負荷に供給を要する電
流の値に対応して，燃料ガス供給装置が供給すべき燃料
ガス供給量に関する指令を出力する演算部を有する制御
装置とを備えた燃料電池発電装置において、燃料電池発電装置は、燃料電池に供給される燃料ガスを
通流する通流路に、燃料ガスの供給量に対応する信号を
出力する供給量情報発信器を備え、制御装置は、前記の供給量情報発信器から出力された信
号を入力し、この信号に対応させて変換装置が負荷に出
力すべき電流値に関する指令を出力する制御部を備えて
なることを特徴とする燃料電池発電装置。
【請求項２】請求項１に記載の燃料電池発電装置におい
て、制御装置が備える制御部は、制御用演算部と、制御装置
に入力される電流値に関する指令の変化の有無を判別
し，指令された電流値に変化が有った場合には変化発生
信号を出力する電流値指令判別手段と、基本供給量情報
を記憶する記憶手段とを備え、記憶手段は、変化発生信
号が電流値指令判別手段から出力された時点以降であっ
て，燃料ガス供給量にまだ変化が生じていない期間にお
ける供給量情報発信器が出力している信号を，基本供給
量情報として少なくとも新たな変化発生信号が出力され
るまで保持するものであり、制御用演算部は、前記の基
本供給量情報に対する供給量情報発信器が出力する信号
の比率を演算し，この演算された比率に対応させて変換
装置が負荷に出力すべき電流値に関する指令を出力する
ものである、ことを特徴とする燃料電池発電装置。
【請求項３】請求項１または２に記載の燃料電池発電装
置において、供給量情報発信器は、燃料電池に供給される燃料ガスが
通流する通流路に装着され，装着された位置における燃
料ガスの持つ圧力値に対応する信号を発信する圧力検出
器であることを特徴とする燃料電池発電装置。
【請求項４】燃料ガスと酸化剤ガスとの供給を受けて直
流電気を発電する燃料電池と、燃料電池に燃料ガスを供
給する燃料ガス供給装置と、燃料電池に酸化剤ガスを供
給する酸化剤ガス供給装置と、燃料電池で発電された直
流電気を交流電気または電圧の異なる直流電気に変換し
て負荷に供給する変換装置と、燃料電池に供給される燃
料ガスを通流する通流路に装着され，燃料ガスの供給量
に対応する信号を出力する供給量情報発信器と、負荷に
供給を要する電流の値に対応して，燃料ガス供給装置が
供給すべき燃料ガス供給量に関する指令を出力する演算
部と、前記の供給量情報発信器から出力された信号を入
力し，この信号に対応させて変換装置が負荷に出力すべ
き電流値に関する指令を出力する制御部とを有する制御
装置とを備えた燃料電池発電装置の制御方法であって、制御装置に入力される電流値に関する指令の変化の有無
を判別する制御手順と、指令された電流値に変化が有っ
た場合には変化発生信号を出力する制御手順と、変化発
生信号が出力された時点以降であって，燃料ガス供給量
にまだ変化が生じていない期間における供給量情報発信
器が出力している信号を，基本供給量情報として記憶手
段に記憶する制御手順と、前記の基本供給量情報に対す
る変化発生信号が入力された以降の供給量情報発信器が
出力する信号の比率を演算する制御手順と、この演算さ
れた比率に対応させて変換装置が負荷に出力すべき電流
値に関する指令を出力する制御手順とからなる、ことを特徴とする燃料電池発電装置の制御方法。
【請求項５】請求項４に記載の燃料電池発電装置の制御
方法において、供給量情報発信器は、燃料電池に供給される燃料ガスが
通流する通流路に装着され，装着された位置における燃
料ガスの持つ圧力値に対応する信号を発信する圧力検出
器であることを特徴とする燃料電池発電装置の制御方
法。