JPS6046782B2 - 燃料電池の電圧調整装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の目的〕 本発明は、燃料電池の電圧調整装置に関し、とくに交
流系統との並列運転を行うために他動インバータと組み
合わされて燃料電池発電システムを構成する燃料電池の
電圧調整装置に関する。

〔従来技術とその問題点〕 燃料電池と他動インバータ
とで構成される燃料発電システムから交流系統に電力を
供給する場 合、燃料電池の電圧−電流特性およびイン
バータの制御特性から次のような解決すべき課題がある
。

すなわち、燃料電池の電圧一電流特性曲線ｍは第１図に
示す如くなるのに対して、インバータの電圧−電流特性
曲線１は第１図に１、、１０、１、にて例示されている
ように制御角（制御進み角）βをパラメータとして変化
する。この場合に曲線ｍと曲線１との交点が燃料電池と
他動インバータの共通の定常動作点を与える。したがつ
て、制御角βによりインバータ電流Ｉｄを制御すること
ができる。ところがｃｏｓβはインバータの力率に相当
するので、インバータ電流Ｉｄを大きくするために制御
角βを大きくすると力率が悪くなり、インバ’ータは交
流系統に大きな無効電力を要求する。上記・の課題とは
この無効電力に起因する系統への悪影響を解消すべきこ
ととインバータ起動時の突入電流を抑制すべきことであ
る。他動インバータでは安全な転流を保証するために制
御角βに対して最小限βＭｉｎが設定されているが、β
＝βＭｉｎの条件下の他励インバータの電圧一電流特性
曲線が例えば第１図の曲線１１かもしくはこれよりも上
方のレベルにある曲線となるように設計を行なつた場合
についてまず考えてみることにする。この場合にはイン
バータ起動時に制御角β而ｎからゆるやかに大きくして
ゆけばインバータ電流１ｄを０から定格値１．０〔Ｐ．
ＵＪまて円滑に上昇させることができるので突入電流に
関する問題は何ら生じない。ところが起動完了後の常時
運転範囲（Ｉｄ″．１．０〔Ｐ．Ｕ．〕における特性曲
線１３を得るために制御角βをかなり大きくしなければ
ならず、インバータは交流系統に対して大きな無効電力
を要求し、悪影響を及ぼす。これを解決するために従来
は他励インバータの出力変圧器に負荷時タップ切換装置
を設けて、電流増加にともなつてインバータ交流電圧が
段階的に低減するようタップ切換えを行なうことにより
、制御角βを大きくしなくてもすむようにする方式が考
えられていた。また、β＝βＭｉｎの条件下で他励イン
バータの電圧一電流特性曲線が第１図の曲線１３となる
ような設計をした場合には、常時運転範囲において高力
率を維持てきるかわりに、起動時に燃料電池出力電圧と
インバータ直流逆電圧との大きな差により電流が急上昇
してオーバーシュートを起こすという突入電流の問題が
生じる。そこて、従来は、起動時に燃料電池とインバー
タとの間に突入電流抑制用抵抗器を挿入し、この抵抗器
の値を出力電流増加にともなつて減する方式が考えられ
ていた。しかしながら、上述の従来の方式の場合には、
インバータ起動時の突入電流の抑制を可能にすると共に
常時運転範囲でインバータを高力率で運転てきるように
するために、負荷時タップ切換装置付きの変圧器、ある
いは突入電流抑制用可変抵抗．器の如き高価て大がかり
な付加的設備を必要とする。

本発明者らは、インバータ起動時の突入電流抑制および
インバータの高力率運転を同時に満足させる他の方式に
つき種々検討した結果、インバー・夕の制御特性曲線１
の変更はインバータ高力率運転が保証できる範囲にとど
め、燃料電池の電圧電流特性曲線ｍのほうを変更するこ
とにより突入電流を抑制しながらインバータを起動する
方式を見い出した。

すなわち、インバータ起動時にはインバータ制御角βを
小さな値、例えばβＭｉｎに保ち、燃料電池自体の電圧
を調整すれは、突入電流を抑制しながらインバータを起
動することができ、しかもインバータの高力率運転も保
証できるということである。〔発明の目的〕 ここに、本発明の目的は、できるだけ簡単で安価な手段
で燃料電池に電圧制御機能を持たせ得る”電圧調整装置
を提供することにある。

〔発明の要旨〕 燃料電池に供給されるガス中には通常いくらかの不純ガ
ス（例えば不活性な窒素）が含まれている。

とくに酸化剤ガスとして空気を使用する場合には、全体
の８０％近くが不活性な窒素（Ｎ２）である。このため
燃料電池の運転中において電池内ガス室に不活性ガスが
蓄積するのを防止するために、常時いくらかのガスを外
部にパージするようにしている。本発明は、燃料電池の
入口と出口とを戻し管により連結し、この戻し管と反応
ガス室とで形成される反応ガス循環路内の戻し管以外の
管路にファンを設け、反応ガス室の出口側であつて循環
路以外の排出管路に流量調整手段を設けることにより、
電池内へのガス供給量を一定に保ちつつ電池内不活性ガ
ス濃度を変化させ、電池の出力電圧を調整するようにし
たことを特徴とするものである。つまり、パージガス流
量を減らせばガス戻し管より排出ガスが再び電池に供給
されるため、電池内の不活性ガス濃度が増加して酸素濃
度が減少し、その結果燃料電池の電圧が減少し、パージ
ガス流量を増せばその逆となる。パージガスの流量調整
により電池内の不活性ガス濃度を変えるという本発明に
よる電圧調整装置は、空気を酸化剤ガスとして使用する
燃料電池においてはこの空気のパージガス流量を調整す
ることが好ましいが、これに限らず、酸素ガスを酸化剤
ガスとして使用する燃料電池にも適用可能であり、また
酸化剤ガス側に限らず燃料ガス側においても適用できる
。

なぜならば、不活性ガスは空気に限らず、一般に酸素や
水素ガス中にも含まれているからである。燃料電池の電
圧調整は、水素ガスと不活性ガスとを混合して燃料ガス
室へ供給し、その混合比を調整することによつても行な
うことができるが、この場合には多量の不活性ガス源お
よびその供給システムを必要とする。

これに対して、本発明の場合には、酸化剤ガスもしくは
燃料ガスに含まれる不活性ガスを利用して、パニジガス
の一部を供給ガスに混合することによつて電池内不活性
ガス濃度を変えて電圧調整を行うというやり方なので、
特別な不活性ガス源を設ける必要はない。本発明による
電圧調整装置の利点は、このように電圧調整機能を持た
せるために必要な付加的な装置手段が簡単てあるところ
にあり、また、そればかりでなく電池寿命に悪影響を及
ぼすことがないというところにもある。すなわち、理論
的には（パージガス流量の調整を行なわないで）ガス圧
を変化させることによつても電圧調整を行うことは可能
であるが、しかしながらこの場合には所望の電圧調整範
囲を得ようとすると大幅にガス圧を変化させる必要があ
るため電池寿命の面から実施に際しては困難が多い。本
発明の場合にはガス圧をほぼ一定に保ちながら電池内不
活性ガス濃度の変化により電圧を調整できるので、電池
寿命への悪影響はない。本発明によれは、公知のやり方
て圧力がほぼ一定に保たれるように供給される新しいガ
スに、ガス戻し管を介して帰還されてきた不活性濃度の
増したガスが混合されて電池内へ供給され、例えばパー
ジ出口管内に設けられた調整手段としての加減弁（ダン
パー）の開度操作によりパージガス流量が調整される。

これにより戻し管におけるガス流量が変化する。電池内
へのガス供給流量はほとんど変化しないにもかかわらず
、新しいガスと戻し管を介して循環するガスとの混合比
が変化し、その結果電池内の不活性ガス濃度が変化する
。このため、燃料電池のガス通路内の圧力は常に一定に
保たれ、一方のガスが他方のガス通路に洩れ出し、電極
の表面て燃焼して燃料や酸化剤を消費するクロスオーバ
ーが発生する虞れはない。〔発明の実施例〕 以下、本発明の好ましい実施例につき図面を参照しなが
ら説明する。

第２図に示す本発明実施例によれは、燃料電池１は他励
インバータ２と共に燃料電池システムを構成しており、
交流系統３と並列運転される。

他励インバータ２は、直流入力側では直流リアクトル４
を介して燃料電池１の直流出力母線５，６間に接続され
、交流出力側では変圧器７を介して交流系統３に接続さ
れている。燃料電池１の燃料ガス室には供給管８を介し
て一定圧力で水素鴇が供給され、燃料ガス室を通過した
ガスは排出管９を介して出てくる。燃料電池１の酸化剤
ガス室には供給管１０を介して一定圧力で空気ΔＩｒが
酸化剤として供給される。このガス室を通過した空気は
排出管１１を通して出てくる。排出管１１は戻し管１２
とパージ管１３とに分岐し、この戻し管１２と酸化剤ガ
ス室とで反応ガスの循環路を形成している。戻し管１２
は供給管１０に通じていて、ファン１４の助けにより空
気が循環できるようにしてある。パージ管１３内には調
整手段としてのダンパー１５が配設されていて、このダ
ンパー１５はモータ１６によつて操作される。なお、こ
の実施例ではファン１４を供給管１０に設けているが、
本発明はこれに限られるものではなく、例えば循環路内
の戻し管１２を除く管路であれば排出管１１に設けても
よい。図示されていない制御装置によつてモータ１６が
駆動されるとダンパー１５の開度が変化する。

ダンパー１５の開度の増減によつてパージガス流量が増
減し、それに伴つて電池内には電池から排出される不活
性ガス濃度の増した空気の一部と新しい空気とが混合さ
れて供給される。例えばダンパー１５の開度を小さくし
てパージガス流量を減らすと、それに応じて戻し管１２
内の空気流量が増え、電池内の不活性ガス濃度が増える
。その結果、同じ出力電流に対して出力電圧が大きくな
る。第３図は第２図のダンパー１５の代りに太さの異な
る複数個のパージ管１３１〜１３３を調整手段として設
けて、それぞれ管の電磁弁１５１〜１５３によつて段階
的にパージガス流量を調整するようにした場合の実施例
であり、これは第３図の実施例に比較して応答性がよい
。

電磁弁の作動を瞬時とすれば、セルの応答速度は、ガス
系の容積と循環速度できまり、例えばガス系容積５′の
電池に５００ｅ／Ｍｉｎで循環した場合に０．６秒程度
である。なお、第３図ではファン１４の図示が省略され
ている。第２図および第３図のいずれの実施例において
も電池内へのガス供給流量を常にほぼ一定に保つて電池
内の不活性ガス濃度を変えることができるので、各単位
電池への空気の分配が不均一になる心配はなく、また電
池のガス通路内の圧力を常に一定に保つことができるた
め、クロスオーバーが発生するおそれはない。

第４図は燃料電池１と他励インバータ２とを組み合わせ
て構成した燃料電池発電システムを交流系統と並列運転
する場合の特性を示す。

他励インバータ２はほとんど固定的な制御特性曲線１に
て運転されるのに対して、燃料電池１は可変の電圧電流
特性曲線にて運転される。第４図には燃料電池１の可変
の電圧電流特性曲線のうち２つの曲線Ｍｌ，ｍ２が例示
されている。燃料電池１のパージガス流量調整による電
圧制御は、他励インバータ２の出力もしくは出力電流の
変化にもかかわらず他励インバータ２のほぼ一定の高力
率運転を可能にするように行なわれる。さらに電流制限
ループにより、例えば燃料電池出力電流（インバータ入
力電流）が起動時あらかじめ定められたパターンにした
がつて円滑に上昇するように燃料電池電圧を制御するこ
ともてきる。〔発明の効果〕 このように本発明による燃料電池の電圧制御装置は、電
池内へのガス供給量を一定に保ちながら電池内不活性ガ
ス濃度を変化させ、電池の出力電圧を調整することがで
き、他励インバータとで構成される燃料発電システムに
とつて、高力率運転および起動時突入電流抑制を極めて
簡単な手段により同時に達成できるので非常に効果的で
ある。

【図面の簡単な説明】

第１図は他励インバータと組み合せで構成される燃料電
池発電システムに一般的な制御方式を適用した場合の動
作特性図、第２図および第３図は本発明の互いに異なる
実施例を示す原理的構成図、第４図は他励インバータと
の組み合せて構成される燃料電池発電システムに本発明
を適用した場合の動作特性図である。 １・・・・・・燃料電池、２・・・・・・他励インバー
タ、３・・・・・・交流系統、４・・・・・・直流リア
クトル、５，６・・・直流母線、７・・・・・・変圧器
、８・・・・・・燃料ガス供給管、９・・・・・・燃料
ガス排出管、１０・・・・・酸化剤ガス供給管、１１・
・・・・・酸化剤ガス排出管、１２・・・・・・排出ガ
ス戻し管、１３，１３１〜１３３・・・・・・パージ管
、１４・・・・ファン、１５・・・・・・ダンパー、１
６・・・・・操作モータ、１５１〜１５３・・・・・・
電磁弁。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 燃料電池の反応ガス室の入口と出口とを連結する戻
   し管と、この戻し管と前記反応ガス室とで形成される反
   応ガス循環路内の戻し管以外の管路に設けられたファン
   と、前記反応ガス室の出口側であつて前記循環路以外の
   排出管路に設けられた流量調整手段とを備えたことを特
   徴とする燃料電池の電圧調整装置。