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燃料電池の発電制御装置、燃料電池発電システム、燃料電池の発電制御方法、およびプログラム UPDATE コモンズ 実績あり

国内特許コード P120007167
整理番号 2010005-KI
掲載日 2012年4月3日
出願番号 特願2010-175239
公開番号 特開2012-038457
登録番号 特許第5972526号
出願日 平成22年8月4日(2010.8.4)
公開日 平成24年2月23日(2012.2.23)
登録日 平成28年7月22日(2016.7.22)
発明者
  • 板子 一隆
出願人
  • 学校法人幾徳学園
発明の名称 燃料電池の発電制御装置、燃料電池発電システム、燃料電池の発電制御方法、およびプログラム UPDATE コモンズ 実績あり
発明の概要 【課題】燃料電池の燃料使用量を抑えて効率的に運転する。
【解決手段】発電制御装置1は、燃料電池13の出力電力を検出する第1検出部22,23と、燃料電池13の燃料供給量を制御する制御部31とを有する。制御部31は、複数の燃料供給量に関する出力電力を第1検出部22,23に検出させ、検出された各燃料供給量について、燃料供給量に対する出力電力の比を電力燃料比Cとして演算し、複数の燃料供給量のうちで、電力燃料比が最も大きいものCmaxを選択し、選択した燃料供給量の下で燃料電池13を発電させる。
【選択図】図2
従来技術、競合技術の概要


二酸化炭素の排出量問題、省エネルギー問題などの対策として、燃料電池が注目されている。
燃料電池は、化学反応または酵素の働きにより電気を直接的に発生するため、一般的に発電効率が良いとされている。
また、燃料電池の化学反応後に生成される物質は主に水である。排出物にNOx成分などが含まれないため、環境にやさしい。



燃料電池には、たとえば固体高分子形燃料電池(PEFC, Polymer Electrolyte Fuel Cell)、りん酸形燃料電池(PAFC, Phosphoric Acid Fuel Cell)、溶融炭酸塩形燃料電池(MCFC, Molten Carbonate Fuel Cell)、固体酸化物形燃料電池(SOFC, Solid Oxide Fuel Cell)、アルカリ電解質形燃料電池(AFC, Alkaline Fuel Cell)がある。
PEFCでは、イオン交換膜に対して水素と酸素とを供給する。イオン交換膜において水素と酸素との化学反応が生じ、電気が発生する。PEFCの運転温度は、約100度と比較的低温である。
他の方式の燃料電池でも、燃料を供給することにより発電する。



このように燃料電池は、燃料が供給されることにより発電する。
燃料電池は、燃料が継続的に供給されることにより、継続的に発電し続ける。
また、燃料電池の出力電力特性には、通常、ピークがある。
そこで、燃料電池では、燃料電池の出力電力が最大となる動作点をサーチし、その出力電力が最大となる動作点において燃料電池を運転している(特許文献1から3)。

産業上の利用分野


本発明は、燃料電池の発電制御装置、燃料電池発電システム、燃料電池の発電制御方法、およびプログラムに関する。

特許請求の範囲 【請求項1】
燃料電池の発電電力を変換するDC-DCコンバータと、
前記燃料電池の出力電力を算出する燃料電池・出力電力算出手段と、
前記DC-DCコンバータからの出力電力を蓄積し、負荷機器が接続される電力蓄積要素と、
前記電力蓄積要素の出力電圧を検出する電力蓄積要素・出力電圧検出手段と、
前記燃料電池への燃料供給量を制御して前記燃料電池の発電量を制御し、前記DC-DCコンバータを制御して前記燃料電池の出力電圧を変換して当該変換した電力を電力蓄積要素に蓄積させる、制御部と、
を有する燃料電池の発電制御装置であって、
前記電力蓄積要素の出力電圧が、第3閾値V3<第1閾値(下限値)V1<第4閾値V4<第2閾値(上限値)V2の関係にあり、
前記制御部は、
前記電力蓄積要素の出力電圧が前記第2閾値以上になると、休止モードとして、前記燃料電池への燃料供給を停止し、前記DC/DCコンバータの動作を停止させ、
前記電力蓄積要素の出力電圧が前記第1閾値以下になると、前記燃料電池に燃料の供給を開始し、前記DC/DCコンバータの動作を制御し、
前記電力蓄積要素の出力電圧が前記第1閾値以上前記第2閾値以下のとき、燃料消費抑制モードとして、検出した電力燃料比が最大の電力燃料比で動作するように、前記燃料電池に燃料を供給し、前記DC/DCコンバータの動作を制御し、
前記電力蓄積要素・出力電圧検出手段の検出電圧が前記第1閾値より低い第3閾値以下になると、最大電力モードとして、前記燃料電池が当該燃料電池の最大出力電力点で運転するように、前記燃料電池に燃料を供給し、前記DC/DCコンバータの動作を制御し、
前記制御部は、前記燃料消費抑制モードにおいて、
予め定めた複数の燃料供給量のいずれかで前記燃料電池に燃料が供給されるよう設定し、
前記複数の燃料供給量の各燃料供給量における前記燃料電池・出力電力算出手段で算出した各燃料電池・出力電力を求め、
前記各燃料供給量に対応する前記燃料電池・出力電力算出手段で算出した各燃料電池・出力との比率である複数の電力燃料比を演算し、
前記各電力燃料比のうちで、電力燃料比が最も大きい最大電力燃料比を選択し、
前記選択した最大電力燃料比で動作するように、前記燃料電池に燃料を供給し、前記DC/DCコンバータの動作を制御する、
ことを特徴とする、燃料電池の発電制御装置。

【請求項2】
前記各燃料供給量は、前記燃料電池の出力電流の0から運転時の最大電流までの範囲を、複数に分割した前記燃料電池の出力電流に対応した各燃料供給量である、
請求項1に記載の燃料電池の発電制御装置。

【請求項3】
前記制御部は、前記燃料消費抑制モードにおいて、前記燃料電池に前記複数の各燃料供給量の燃料が供給されるよう設定したとき、ある燃料供給量から次の燃料供給量切り換えたとき、燃料供給量が安定するまでの間、変化している前記燃料電池の燃料電池・出力電力に追従させて前記DC-DCコンバータの動作を制御する、
請求項1または2に記載の燃料電池の発電制御装置。

【請求項4】
前記制御部は、前記複数の燃料供給量の全てについて前記出力電力を検出しても、演算した前記電力燃料比が前回の値より下がらない場合には、最後の検出に用いた燃料供給量を前記最大電力燃料比として選択する、
請求項1~3のいずれかに記載の燃料電池の発電制御装置。

【請求項5】
前記制御部は、選択した前記燃料供給量の下で前記燃料電池を発電させている場合に、前記電力蓄積要素の出力電圧が前記第1閾値より低い前記第3閾値以下になると、前記燃料電池の発電のための燃料供給量を、選択した前記燃料供給量の下での発電のための燃料供給量から、前記燃料電池の出力電力が最大となる燃料供給量の下での発電のための燃料供給量に切り替える、
請求項2から4のいずれか一項記載の燃料電池の発電制御装置。

【請求項6】
燃料タンクから燃料が供給されて発電する燃料電池と、
前記燃料電池による発電を制御する発電制御装置と、
負荷機器と
を有する燃料電池発電システムであって、
前記発電制御装置は、
燃料電池の発電電力を変換するDC-DCコンバータと、
前記燃料電池の出力電力を算出する燃料電池・出力電力算出手段と、
前記DC-DCコンバータからの出力電力を蓄積し、負荷機器が接続される電力蓄積要素と、
前記電力蓄積要素の出力電圧を検出する電力蓄積要素・出力電圧検出手段と、
前記燃料電池への燃料供給量を制御して前記燃料電池の発電量を制御し、前記DC-DCコンバータを制御して前記燃料電池の出力電圧を変換して当該変換した電力を電力蓄積要素に蓄積させる、制御部と、
を有し、
前記電力蓄積要素の出力電圧が、第3閾値V3<第1閾値(下限値)V1<第4閾値V4<第2閾値(上限値)V2の関係にあり、
前記制御部は、
前記電力蓄積要素の出力電圧が前記第2閾値以上になると、休止モードとして、前記燃料電池への燃料供給を停止し、前記DC/DCコンバータの動作を停止させ、
前記電力蓄積要素の出力電圧が前記第1閾値以下になると、前記燃料電池に燃料の供給を開始し、前記DC/DCコンバータの動作を制御し、
前記電力蓄積要素の出力電圧が前記第1閾値以上前記第2閾値以下のとき、燃料消費抑制モードとして、検出した電力燃料比が最大の電力燃料比で動作するように、前記燃料電池に燃料を供給し、前記DC/DCコンバータの動作を制御し、
前記電力蓄積要素・出力電圧検出手段の検出電圧が前記第1閾値より低い第3閾値以下になると、最大電力モードとして、前記燃料電池が当該燃料電池の最大出力電力点で運転するように、前記燃料電池に燃料を供給し、前記DC/DCコンバータの動作を制御し、
前記制御部は、前記燃料消費抑制モードにおいて、
予め定めた複数の燃料供給量のいずれかで前記燃料電池に燃料が供給されるよう設定し、
前記複数の燃料供給量の各燃料供給量における前記燃料電池・出力電力算出手段で算出した各燃料電池・出力電力を求め、
前記各燃料供給量に対応する前記燃料電池・出力電力算出手段で算出した各燃料電池・出力との比率である複数の電力燃料比を演算し、
前記各電力燃料比のうちで、電力燃料比が最も大きい最大電力燃料比を選択し、
前記選択した最大電力燃料比で動作するように、前記燃料電池に燃料を供給し、前記DC/DCコンバータの動作を制御する、
燃料電池発電システム。

【請求項7】
発電制御装置を用いて燃料が供給されると発電する燃料電池の発電制御を行う燃料電池の制御方法であって、
当該発電制御装置は、
燃料電池の発電電力を変換するDC-DCコンバータと、
前記燃料電池の出力電力を算出する燃料電池・出力電力算出手段と、
前記DC-DCコンバータからの出力電力を蓄積し、負荷機器が接続される電力蓄積要素と、
前記電力蓄積要素の出力電圧を検出する電力蓄積要素・出力電圧検出手段と
を有し、
前記燃料電池への燃料供給量を制御して前記燃料電池の発電量を制御し、前記DC-DCコンバータを制御して前記燃料電池の出力電圧を変換して当該変換した電力を電力蓄積要素に蓄積させ、
前記電力蓄積要素の出力電圧が、第3閾値V3<第1閾値(下限値)V1<第4閾値V4<第2閾値(上限値)V2の関係にあり、
当該制御方法は、
前記電力蓄積要素の出力電圧が前記第2閾値以上になると、休止モードとして、前記燃料電池への燃料供給を停止し、前記DC/DCコンバータの動作を停止させ、
前記電力蓄積要素の出力電圧が前記第1閾値以下になると、前記燃料電池に燃料の供給を開始し、前記DC/DCコンバータの動作を制御し、
前記電力蓄積要素の出力電圧が前記第1閾値以上前記第2閾値以下のとき、燃料消費抑制モードとして、検出した電力燃料比が最大の電力燃料比で動作するように、前記燃料電池に燃料を供給し、前記DC/DCコンバータの動作を制御し、
前記電力蓄積要素・出力電圧検出手段の検出電圧が前記第1閾値より低い第3閾値以下になると、最大電力モードとして、前記燃料電池が当該燃料電池の最大出力電力点で運転するように、前記燃料電池に燃料を供給し、前記DC/DCコンバータの動作を制御し、
前記燃料消費抑制モードにおいて、
予め定めた複数の燃料供給量のいずれかで前記燃料電池に燃料が供給されるよう設定し、
前記複数の燃料供給量の各燃料供給量における前記燃料電池・出力電力算出手段で算出した各燃料電池・出力電力を求め、
前記各燃料供給量に対応する前記燃料電池・出力電力算出手段で算出した各燃料電池・出力との比率である複数の電力燃料比を演算し、
前記各電力燃料比のうちで、電力燃料比が最も大きい最大電力燃料比を選択し、
前記選択した最大電力燃料比で動作するように、前記燃料電池に燃料を供給し、前記DC/DCコンバータの動作を制御する、
制御方法。

【請求項8】
発電制御装置を用いて燃料が供給されると発電する燃料電池の発電制御を、コンピュータに実行させるプログラムであって、
当該発電制御装置は、
燃料電池の発電電力を変換するDC-DCコンバータと、
前記燃料電池の出力電力を算出する燃料電池・出力電力算出手段と、
前記DC-DCコンバータからの出力電力を蓄積し、負荷機器が接続される電力蓄積要素と、
前記電力蓄積要素の出力電圧を検出する電力蓄積要素・出力電圧検出手段と
を有し、
前記燃料電池への燃料供給量を制御して前記燃料電池の発電量を制御し、前記DC-DCコンバータを制御して前記燃料電池の出力電圧を変換して当該変換した電力を電力蓄積要素に蓄積させ、
前記電力蓄積要素の出力電圧が、第3閾値V3<第1閾値(下限値)V1<第4閾値V4<第2閾値(上限値)V2の関係にあり、
当該プログラムは、
前記電力蓄積要素の出力電圧が前記第2閾値以上になると、休止モードとして、前記燃料電池への燃料供給を停止し、前記DC/DCコンバータの動作を停止させ、
前記電力蓄積要素の出力電圧が前記第1閾値以下になると、前記燃料電池に燃料の供給を開始し、前記DC/DCコンバータの動作を制御し、
前記電力蓄積要素の出力電圧が前記第1閾値以上前記第2閾値以下のとき、燃料消費抑制モードとして、検出した電力燃料比が最大の電力燃料比で動作するように、前記燃料電池に燃料を供給し、前記DC/DCコンバータの動作を制御し、
前記電力蓄積要素・出力電圧検出手段の検出電圧が前記第1閾値より低い第3閾値以下になると、最大電力モードとして、前記燃料電池が当該燃料電池の最大出力電力点で運転するように、前記燃料電池に燃料を供給し、前記DC/DCコンバータの動作を制御し、
前記燃料消費抑制モードにおいて、
予め定めた複数の燃料供給量のいずれかで前記燃料電池に燃料が供給されるよう設定し、
前記複数の燃料供給量の各燃料供給量における前記燃料電池・出力電力算出手段で算出した各燃料電池・出力電力を求め、
前記各燃料供給量に対応する前記燃料電池・出力電力算出手段で算出した各燃料電池・出力との比率である複数の電力燃料比を演算し、
前記各電力燃料比のうちで、電力燃料比が最も大きい最大電力燃料比を選択し、
前記選択した最大電力燃料比で動作するように、前記燃料電池に燃料を供給し、前記DC/DCコンバータの動作を制御する、
諸手順を、コンピュータに実行させるプログラム。
国際特許分類(IPC)
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出願権利状態 登録
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