JPH07135013A - 燃料電池発電装置のガス欠防止回路 - Google Patents
燃料電池発電装置のガス欠防止回路Info
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- JPH07135013A JPH07135013A JP5282849A JP28284993A JPH07135013A JP H07135013 A JPH07135013 A JP H07135013A JP 5282849 A JP5282849 A JP 5282849A JP 28284993 A JP28284993 A JP 28284993A JP H07135013 A JPH07135013 A JP H07135013A
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Abstract
(57)【要約】
【目的】負荷の軽重に係わりなく負荷の急増によって燃
料電池に生ずる過電流およびこれに起因するガス欠を排
除し、燃料電池の損傷を防止する。 【構成】燃料電池１、その出力側に接続された電力変換
器２、および定電圧制御回路３を含む燃料電池発電装置
のガス欠防止回路であって、燃料電池の許容過電流値１
２Ｓを基準値より一定割合高い燃料利用率と燃料電池出
力電流ｉFCとに基づいて演算する過電流許容値演算部１
２と、許容過電流値の過渡的変動を除去して過電流設定
値１１Ｓとして出力する応答速度調節部１３とからなる
ガス欠防止手段１１と、燃料電池の出力電流値が過電流
設定値を越えたとき過電流を抑制する信号１５Ｓを定電
圧制御回路３に向けて出力する過電流制限手段１５とを
備える。
料電池に生ずる過電流およびこれに起因するガス欠を排
除し、燃料電池の損傷を防止する。 【構成】燃料電池１、その出力側に接続された電力変換
器２、および定電圧制御回路３を含む燃料電池発電装置
のガス欠防止回路であって、燃料電池の許容過電流値１
２Ｓを基準値より一定割合高い燃料利用率と燃料電池出
力電流ｉFCとに基づいて演算する過電流許容値演算部１
２と、許容過電流値の過渡的変動を除去して過電流設定
値１１Ｓとして出力する応答速度調節部１３とからなる
ガス欠防止手段１１と、燃料電池の出力電流値が過電流
設定値を越えたとき過電流を抑制する信号１５Ｓを定電
圧制御回路３に向けて出力する過電流制限手段１５とを
備える。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】この発明は、定電圧制御される燃
料電池発電装置の負荷の急増に際し、燃料ガス供給系の
応答遅れによって燃料電池に生ずる燃料ガスの欠乏を、
過電流保護回路を用いて防止するガス欠防止回路に関す
る。
料電池発電装置の負荷の急増に際し、燃料ガス供給系の
応答遅れによって燃料電池に生ずる燃料ガスの欠乏を、
過電流保護回路を用いて防止するガス欠防止回路に関す
る。
【０００２】
【従来の技術】図６は従来の燃料電池発電装置とその過
電流保護回路を簡略化して示す構成図であり、燃料電池
（スタック）１は図示しない燃料ガス改質系から水素リ
ッチな燃料ガスを，空気供給系から酸化剤としての反応
空気の供給を受けて電気化学反応に基づく発電を行うも
のであり、その直流出力電流ｉFCは定電圧制御回路３に
よって定電圧制御される電力変換器２，例えばインバ−
タにより交流電流に変換されて負荷９に供給される。定
電圧制御回路３は、目標電圧の設定器３Ａ，電力変換器
の出力電圧ＶO の検出器３Ｂ，および比例・積分動作す
る定電圧調節器３Ｃとで構成され、定電圧調節器３Ｃが
目標電圧に対する電圧検出器の検出電圧の偏差を縮小す
る制御信号３Ｓを電力変換器２に向けて出力することに
より、電力変換器２の出力電圧ＶO が定電圧制御され
る。また、過電流保護回路４は過電流設定器４Ａ，燃料
電池出力電流ｉFCの検出器４Ｂと、比例・積分調節器５
Ａ，および定電圧調節器３Ｃの入力側から比例・積分調
節器５Ａの出力側に向かう方向を順方向として接続され
た電圧ブロックダイオ−ド５Ｂからなる過電流制限回路
５で構成される。
電流保護回路を簡略化して示す構成図であり、燃料電池
（スタック）１は図示しない燃料ガス改質系から水素リ
ッチな燃料ガスを，空気供給系から酸化剤としての反応
空気の供給を受けて電気化学反応に基づく発電を行うも
のであり、その直流出力電流ｉFCは定電圧制御回路３に
よって定電圧制御される電力変換器２，例えばインバ−
タにより交流電流に変換されて負荷９に供給される。定
電圧制御回路３は、目標電圧の設定器３Ａ，電力変換器
の出力電圧ＶO の検出器３Ｂ，および比例・積分動作す
る定電圧調節器３Ｃとで構成され、定電圧調節器３Ｃが
目標電圧に対する電圧検出器の検出電圧の偏差を縮小す
る制御信号３Ｓを電力変換器２に向けて出力することに
より、電力変換器２の出力電圧ＶO が定電圧制御され
る。また、過電流保護回路４は過電流設定器４Ａ，燃料
電池出力電流ｉFCの検出器４Ｂと、比例・積分調節器５
Ａ，および定電圧調節器３Ｃの入力側から比例・積分調
節器５Ａの出力側に向かう方向を順方向として接続され
た電圧ブロックダイオ−ド５Ｂからなる過電流制限回路
５で構成される。
【０００３】図７は従来の過電流保護回路の過電流保護
領域を示す特性線図であり、横軸には燃料電池１の出力
電流ｉFCを, 縦軸には過電流設定器４Ａの設定電流値を
採ってある。即ち、従来の過電流保護回路４はその過電
流設定器４Ａに燃料電池１の定挌出力電流を１００％と
して，これに対応する電流値ｉ100 が設定されており、
この電流値ｉ100 を越える領域を保護領域として過電流
保護回路４が動作し、過電流を燃料電池１の定挌電流値
に抑制するよう構成されている。
領域を示す特性線図であり、横軸には燃料電池１の出力
電流ｉFCを, 縦軸には過電流設定器４Ａの設定電流値を
採ってある。即ち、従来の過電流保護回路４はその過電
流設定器４Ａに燃料電池１の定挌出力電流を１００％と
して，これに対応する電流値ｉ100 が設定されており、
この電流値ｉ100 を越える領域を保護領域として過電流
保護回路４が動作し、過電流を燃料電池１の定挌電流値
に抑制するよう構成されている。
【０００４】従って、燃料電池発電装置が規定の燃料消
費率（通常７５％）および酸素消費率を保持して定常運
転中は、過電流保護回路４は電流検出器４Ｂの検出値ｉ
fcが過電流設定器４Ａの設定値ｉ100 を下回るので、比
例・積分調節器５Ａの出力は正側に飽和して電圧ブロッ
クダイオ−ド５Ｂの通流を阻止するため、電圧設定器３
Ａがその目標電圧を保持し、定電圧調節器３Ｃによって
電力変換器２が定電圧制御される。一方、負荷９側の短
絡事故や電力変換器２のア−ム短絡などによって燃料電
池１に保護領域に達する過電流が発生すると、電流検出
器４Ｂの検出値が過電流設定器４Ａの設定値ｉ100 を上
回るため、比例・積分調節器５Ａの出力が反転して負側
に飽和し、電圧ブロックダイオ−ド５Ｂが導通状態とな
って電圧設定器３Ａの目標電圧を低下させるので、定電
圧調節器３Ｃは電力変換器２の出力電流ｉFCを絞る制御
信号３Ｓを出力することになり、燃料電池１の過電流を
抑制する保護動作が行われる。
費率（通常７５％）および酸素消費率を保持して定常運
転中は、過電流保護回路４は電流検出器４Ｂの検出値ｉ
fcが過電流設定器４Ａの設定値ｉ100 を下回るので、比
例・積分調節器５Ａの出力は正側に飽和して電圧ブロッ
クダイオ−ド５Ｂの通流を阻止するため、電圧設定器３
Ａがその目標電圧を保持し、定電圧調節器３Ｃによって
電力変換器２が定電圧制御される。一方、負荷９側の短
絡事故や電力変換器２のア−ム短絡などによって燃料電
池１に保護領域に達する過電流が発生すると、電流検出
器４Ｂの検出値が過電流設定器４Ａの設定値ｉ100 を上
回るため、比例・積分調節器５Ａの出力が反転して負側
に飽和し、電圧ブロックダイオ−ド５Ｂが導通状態とな
って電圧設定器３Ａの目標電圧を低下させるので、定電
圧調節器３Ｃは電力変換器２の出力電流ｉFCを絞る制御
信号３Ｓを出力することになり、燃料電池１の過電流を
抑制する保護動作が行われる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】ところで、燃料電池発
電装置が定挌電流以下の電流値を保持して定常運転中、
負荷９が電力の急増を要求した場合、定電圧制御される
電力変換器２はミリセカンドの応答速度で燃料電池１に
その出力電流ｉFCの急増を要求する。これに対して燃料
電池１は図示しない燃料ガス供給系の応答速度に律せら
れて燃料ガスの供給増加に遅れが発生し、燃料電池１の
燃料極に一時的にガス不足状態が発生する。また、燃料
電池は出力電流の増加とともに出力電圧が低下する垂下
特性を有するため、定電圧制御される電力変換器２は燃
料電池の出力電流ｉFCをさらに増加させて電力変換器の
出力電圧ＶO を一定電圧に維持しょうとし、これが原因
で燃料電池の発電電圧がさらに低下する悪循環が発生
し、ついには燃料電池がガス欠状態となり、燃料電池の
構成部材が劣化して発電性能や寿命特性の低下を招くと
いう悪影響が発生する。
電装置が定挌電流以下の電流値を保持して定常運転中、
負荷９が電力の急増を要求した場合、定電圧制御される
電力変換器２はミリセカンドの応答速度で燃料電池１に
その出力電流ｉFCの急増を要求する。これに対して燃料
電池１は図示しない燃料ガス供給系の応答速度に律せら
れて燃料ガスの供給増加に遅れが発生し、燃料電池１の
燃料極に一時的にガス不足状態が発生する。また、燃料
電池は出力電流の増加とともに出力電圧が低下する垂下
特性を有するため、定電圧制御される電力変換器２は燃
料電池の出力電流ｉFCをさらに増加させて電力変換器の
出力電圧ＶO を一定電圧に維持しょうとし、これが原因
で燃料電池の発電電圧がさらに低下する悪循環が発生
し、ついには燃料電池がガス欠状態となり、燃料電池の
構成部材が劣化して発電性能や寿命特性の低下を招くと
いう悪影響が発生する。
【０００６】燃料電池の定挌電流を越える領域を過電流
保護領域とする従来の過電流保護回路４を備えた燃料電
池発電装置は、負荷側の短絡事故や電力変換器のア−ム
短絡などによって燃料電池１に生ずる過大な短絡電流に
対して燃料電池を保護することを主たる目的としている
ため、定常的運転中の負荷の急増によって生ずる過電流
に対してまでは保護機能が及ばず、このような過電流に
よって燃料電池に惹起される燃料ガスの欠乏状態と、こ
れに起因する燃料電池の損傷を回避できないという問題
がある。ことに出力電流が小さい軽負荷領域では燃料ガ
スの供給量が少なく，かつ保護レベルとの差が大きいた
め、軽負荷領域で負荷の急増があった場合にはガス欠状
態となりやすく、燃料電池に回復困難な損傷を与えると
いう問題があった。
保護領域とする従来の過電流保護回路４を備えた燃料電
池発電装置は、負荷側の短絡事故や電力変換器のア−ム
短絡などによって燃料電池１に生ずる過大な短絡電流に
対して燃料電池を保護することを主たる目的としている
ため、定常的運転中の負荷の急増によって生ずる過電流
に対してまでは保護機能が及ばず、このような過電流に
よって燃料電池に惹起される燃料ガスの欠乏状態と、こ
れに起因する燃料電池の損傷を回避できないという問題
がある。ことに出力電流が小さい軽負荷領域では燃料ガ
スの供給量が少なく，かつ保護レベルとの差が大きいた
め、軽負荷領域で負荷の急増があった場合にはガス欠状
態となりやすく、燃料電池に回復困難な損傷を与えると
いう問題があった。
【０００７】この発明の目的は、負荷の軽重に係わりな
く負荷の急増によって燃料電池に生ずる過電流およびこ
れに起因するガス欠を排除し、燃料電池の損傷を防止す
ることにある。
く負荷の急増によって燃料電池に生ずる過電流およびこ
れに起因するガス欠を排除し、燃料電池の損傷を防止す
ることにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、この発明によれば、燃料ガスおよび反応空気の供給
を受けて発電する燃料電池と、その出力側に接続された
電力変換器と、電圧設定器の設定電圧に対する前記電力
変換器の出力電圧の偏差を誤差増幅して前記電力変換器
の出力電流を制御する定電圧制御回路とを含む燃料電池
発電装置のガス欠防止回路であって、前記燃料電池の許
容過電流値を基準値より一定割合高い燃料利用率と燃料
電池出力電流とに基づいて演算しその値を更新する過電
流許容値演算部，および許容過電流値の過渡的変動を除
去して過電流設定値として出力する応答速度調節部から
なるガス欠防止手段と、前記燃料電池の出力電流値が前
記過電流設定値を越えたとき前記電圧設定器の設定電圧
を低減する信号を前記定電圧制御回路に向けて出力する
過電流制限手段とを備えてなるものとする。
に、この発明によれば、燃料ガスおよび反応空気の供給
を受けて発電する燃料電池と、その出力側に接続された
電力変換器と、電圧設定器の設定電圧に対する前記電力
変換器の出力電圧の偏差を誤差増幅して前記電力変換器
の出力電流を制御する定電圧制御回路とを含む燃料電池
発電装置のガス欠防止回路であって、前記燃料電池の許
容過電流値を基準値より一定割合高い燃料利用率と燃料
電池出力電流とに基づいて演算しその値を更新する過電
流許容値演算部，および許容過電流値の過渡的変動を除
去して過電流設定値として出力する応答速度調節部から
なるガス欠防止手段と、前記燃料電池の出力電流値が前
記過電流設定値を越えたとき前記電圧設定器の設定電圧
を低減する信号を前記定電圧制御回路に向けて出力する
過電流制限手段とを備えてなるものとする。
【０００９】過電流制限手段がガス欠防止手段からの過
電流設定値に対する燃料電池の出力電流の偏差を誤差増
幅する比例・積分調節器と、定電圧制御回路側から前記
比例・積分調節器の出力側に向かう方向を順方向として
接続された電圧ブロックダイオ−ドとを備えてなるもの
とする。ガス欠防止手段が、余裕分設定器および加算器
からなり，燃料電池出力電流の検出値を基準燃料利用率
時の電流値としてこれに燃料利用率余裕分に相応する一
定電流値を加算した許容過電流値を出力する過電流許容
値演算部と、許容過電流値の上限値設定器およびブロッ
クダイオ−ドからなり，前記許容過電流値を燃料電池の
定挌電流値に相応する電流値を上限値として抑制する上
限値制限部とを備えてなるものとする。
電流設定値に対する燃料電池の出力電流の偏差を誤差増
幅する比例・積分調節器と、定電圧制御回路側から前記
比例・積分調節器の出力側に向かう方向を順方向として
接続された電圧ブロックダイオ−ドとを備えてなるもの
とする。ガス欠防止手段が、余裕分設定器および加算器
からなり，燃料電池出力電流の検出値を基準燃料利用率
時の電流値としてこれに燃料利用率余裕分に相応する一
定電流値を加算した許容過電流値を出力する過電流許容
値演算部と、許容過電流値の上限値設定器およびブロッ
クダイオ−ドからなり，前記許容過電流値を燃料電池の
定挌電流値に相応する電流値を上限値として抑制する上
限値制限部とを備えてなるものとする。
【００１０】ガス欠防止手段が、燃料電池の定挌電流値
の５０％に相応する許容過電流値を設定値とする下限値
設定器と、この下限値設定器から過電流許容値演算部の
出力側に向かう方向を順方向として接続されたブロック
ダイオ−ドとからなる許容過電流値の下限値制限部を備
えてなるものとする。
の５０％に相応する許容過電流値を設定値とする下限値
設定器と、この下限値設定器から過電流許容値演算部の
出力側に向かう方向を順方向として接続されたブロック
ダイオ−ドとからなる許容過電流値の下限値制限部を備
えてなるものとする。
【００１１】
【作用】この発明において、燃料電池発電装置のガス欠
防止回路が、過電流設定値演算部および応答速度調節部
からなるガス欠防止手段を備えるよう構成したことによ
り、過電流設定値演算部が基準となる燃料利用率（通常
７５％）で運転中の燃料電池出力電流に対応してこれよ
り一定割合高い燃料利用率（例えば８５％）に相応する
許容過電流値を演算して出力し、例えば燃料電池と同等
の応答時定数を有するフィルタ等で構成される応答速度
調節部が許容過電流値の過渡的変動を除去した過電流設
定値を次段の過電流制限手段に向けて出力する。従っ
て、ガス欠防止手段で得られる過電流設定値は燃料電池
の定挌電流の０〜１００％の広い範囲で一律に、一定割
合の過電流の許容値（余裕分），および一定割合の過剰
燃料消費率の許容値（余裕分）を併せて指示することに
なるので、このガス欠防止手段を過電流の設定器として
動作する過電流制限手段が、燃料電池の出力電流が過電
流設定値を越えたとき定電圧制御回路の設定電圧を絞る
信号を出力し、これを受けた定電圧制御回路によって電
力変換器が燃料電池の出力電流を絞る一連の動作を行う
ことにより、燃料電池の過電流保護動作とガス欠防止動
作とが同時に行われ、燃料電池発電装置の定常運転中の
急激な負荷上昇に対して燃料利用率を例えば８５％以下
に保持して負荷の上昇に追従することが可能となり、急
激な負荷上昇に伴って従来生じた燃料ガスの不足状態を
解消し、ガス欠に伴って生ずる燃料電池構成材料の劣
化，これに起因する発電性能や寿命特性の低下を回避す
る機能が得られる。
防止回路が、過電流設定値演算部および応答速度調節部
からなるガス欠防止手段を備えるよう構成したことによ
り、過電流設定値演算部が基準となる燃料利用率（通常
７５％）で運転中の燃料電池出力電流に対応してこれよ
り一定割合高い燃料利用率（例えば８５％）に相応する
許容過電流値を演算して出力し、例えば燃料電池と同等
の応答時定数を有するフィルタ等で構成される応答速度
調節部が許容過電流値の過渡的変動を除去した過電流設
定値を次段の過電流制限手段に向けて出力する。従っ
て、ガス欠防止手段で得られる過電流設定値は燃料電池
の定挌電流の０〜１００％の広い範囲で一律に、一定割
合の過電流の許容値（余裕分），および一定割合の過剰
燃料消費率の許容値（余裕分）を併せて指示することに
なるので、このガス欠防止手段を過電流の設定器として
動作する過電流制限手段が、燃料電池の出力電流が過電
流設定値を越えたとき定電圧制御回路の設定電圧を絞る
信号を出力し、これを受けた定電圧制御回路によって電
力変換器が燃料電池の出力電流を絞る一連の動作を行う
ことにより、燃料電池の過電流保護動作とガス欠防止動
作とが同時に行われ、燃料電池発電装置の定常運転中の
急激な負荷上昇に対して燃料利用率を例えば８５％以下
に保持して負荷の上昇に追従することが可能となり、急
激な負荷上昇に伴って従来生じた燃料ガスの不足状態を
解消し、ガス欠に伴って生ずる燃料電池構成材料の劣
化，これに起因する発電性能や寿命特性の低下を回避す
る機能が得られる。
【００１２】また、過電流制限手段を燃料電池の出力電
流の過電流設定値に対する偏差を誤差増幅する比例・積
分調節器と、定電圧制御回路から比例・積分調節器の出
力側に向かう方向を順方向として接続された電圧ブロッ
クダイオ−ドとで構成すれば、ガス欠防止手段が過電流
制限手段の過電流設定器として機能して、従来の過電流
制御手段５と同じ構成の過電流制御手段の機能を負荷上
昇に対応した過電流の保護機能およびガス欠防止機能に
拡張する作用が得られる。
流の過電流設定値に対する偏差を誤差増幅する比例・積
分調節器と、定電圧制御回路から比例・積分調節器の出
力側に向かう方向を順方向として接続された電圧ブロッ
クダイオ−ドとで構成すれば、ガス欠防止手段が過電流
制限手段の過電流設定器として機能して、従来の過電流
制御手段５と同じ構成の過電流制御手段の機能を負荷上
昇に対応した過電流の保護機能およびガス欠防止機能に
拡張する作用が得られる。
【００１３】さらに、過電流許容値演算部を余裕分設定
器および加算器で構成すれば、基準となる燃料利用率よ
り一定割合高い分の燃料利用率に相応する電流値を余裕
分として余裕分設定器に設定し、この設定値を加算器で
燃料電池出力電流の検出値に加算することにより、簡素
な構成の過電流許容値演算部によって目的とする許容過
電流値が容易に得られる。また、上限値設定器およびブ
ロックダイオ−ドからなる許容過電流値の上限値制限部
を付加するよう構成すれば、燃料電池の定挌電流値と余
裕分との差によって決まる燃料電池出力電流値で許容過
電流値は燃料電池の定挌電流値と等価な電流値に到達す
るので、燃料電池出力電流が燃料電池の定挌電流値と余
裕分との差によって決まる値を越える大電流領域では、
定挌電流を越える領域を保護領域として短絡電流などの
保護を行う機能が得られる。
器および加算器で構成すれば、基準となる燃料利用率よ
り一定割合高い分の燃料利用率に相応する電流値を余裕
分として余裕分設定器に設定し、この設定値を加算器で
燃料電池出力電流の検出値に加算することにより、簡素
な構成の過電流許容値演算部によって目的とする許容過
電流値が容易に得られる。また、上限値設定器およびブ
ロックダイオ−ドからなる許容過電流値の上限値制限部
を付加するよう構成すれば、燃料電池の定挌電流値と余
裕分との差によって決まる燃料電池出力電流値で許容過
電流値は燃料電池の定挌電流値と等価な電流値に到達す
るので、燃料電池出力電流が燃料電池の定挌電流値と余
裕分との差によって決まる値を越える大電流領域では、
定挌電流を越える領域を保護領域として短絡電流などの
保護を行う機能が得られる。
【００１４】さらにまた、燃料電池の定挌電流値の５０
％に相応する許容過電流値を設定値とする下限値設定器
と、この下限値設定器から過電流許容値演算部に向かう
方向を順方向として接続されたブロックダイオ−ドとか
らなる許容過電流値の下限値制限部をガス欠防止手段に
付加するよう構成すれば、定挌電流の５０％以下の軽負
荷領域で許容過電流値の余裕分を燃料電池出力電流の減
少に逆比例して大きくできるので、例えば、この領域で
燃料ガスの供給量を５０％相当の供給量に一定に保持し
て燃料ガスの余裕分を確保しておくことにより、低負荷
領域で負荷が急増することによって生じ易いガス欠の発
生を防ぎ、負荷追従性を向上する機能が得られるととも
に、許容過電流値を越える大きな過電流に対しては過電
流保護動作によって燃料電池の出力電流を絞り、ガス欠
を防止する機能が得られる。
％に相応する許容過電流値を設定値とする下限値設定器
と、この下限値設定器から過電流許容値演算部に向かう
方向を順方向として接続されたブロックダイオ−ドとか
らなる許容過電流値の下限値制限部をガス欠防止手段に
付加するよう構成すれば、定挌電流の５０％以下の軽負
荷領域で許容過電流値の余裕分を燃料電池出力電流の減
少に逆比例して大きくできるので、例えば、この領域で
燃料ガスの供給量を５０％相当の供給量に一定に保持し
て燃料ガスの余裕分を確保しておくことにより、低負荷
領域で負荷が急増することによって生じ易いガス欠の発
生を防ぎ、負荷追従性を向上する機能が得られるととも
に、許容過電流値を越える大きな過電流に対しては過電
流保護動作によって燃料電池の出力電流を絞り、ガス欠
を防止する機能が得られる。
【００１５】
【実施例】以下、この発明を実施例に基づいて説明す
る。図１はこの発明の実施例になる燃料電池発電装置と
そのガス欠防止回路を簡略化して示す構成図であり、従
来技術と同じ構成部分には同一参照符号を付すことによ
り、重複した説明を省略する。図において、ガス欠防止
回路１０は燃料電池出力電流ｉFCの検出器４Ｂからの出
力電流検出値ｉfcを受けて許容過電流目標値１１Ｓを出
力するガス欠防止手段１１と、過電流設定値１１Ｓおよ
び出力電流検出値ｉfcを受けてブロック信号１５Ｓを定
電圧制御回路３の電圧設定器３Ａに向けて出力する過電
流制限手段１５とで構成される。
る。図１はこの発明の実施例になる燃料電池発電装置と
そのガス欠防止回路を簡略化して示す構成図であり、従
来技術と同じ構成部分には同一参照符号を付すことによ
り、重複した説明を省略する。図において、ガス欠防止
回路１０は燃料電池出力電流ｉFCの検出器４Ｂからの出
力電流検出値ｉfcを受けて許容過電流目標値１１Ｓを出
力するガス欠防止手段１１と、過電流設定値１１Ｓおよ
び出力電流検出値ｉfcを受けてブロック信号１５Ｓを定
電圧制御回路３の電圧設定器３Ａに向けて出力する過電
流制限手段１５とで構成される。
【００１６】ガス欠防止手段１１は過電流許容値演算部
１２および応答速度調節部１３で構成され、過電流許容
値演算部１２が基準となる燃料利用率例えば７５％を保
持して運転中の燃料電池１の出力電流ｉFCの検出器４Ｂ
からその検出値ｉfcを受け、これより一定割合，例えば
１０％高い燃料利用率８５％に相応する許容過電流値１
２Ｓを演算し応答速度調節部１３に向けて出力する。応
答速度調節部１３は燃料電池１と同程度の応答時定数を
有するフィルタで構成され、出力電流ｉFCの変化によっ
て許容過電流値１２Ｓに生ずる過渡的変動を除去した許
容過電流目標値１１Ｓを次段の過電流制限手段１５に向
けて出力する。また、過電流制限手段１５は燃料電池の
出力電流の検出値ｉfcと許容過電流目標値１１Ｓとを受
けて両者の偏差を誤差増幅する比例・積分調節器１５Ａ
と、定電圧調節器３Ｃの入力側から比例・積分調節器１
５Ａの出力側に向かう方向を順方向として接続された電
圧ブロックダイオ−ド１５Ｂとで構成され、検出値４Ｓ
が許容過電流目標値１１Ｓを上回ったとき、比例・積分
調節器１５Ａの出力が反転して負側に飽和し、電圧ブロ
ックダイオ−ド１５Ｂが導通状態となって電圧設定器３
Ａの目標電圧を低下させるので、定電圧調節器３Ｃは電
力変換器２の出力を絞る制御信号３Ｓを出力することに
なり、燃料電池１の過電流を抑制する保護動作が行われ
る。
１２および応答速度調節部１３で構成され、過電流許容
値演算部１２が基準となる燃料利用率例えば７５％を保
持して運転中の燃料電池１の出力電流ｉFCの検出器４Ｂ
からその検出値ｉfcを受け、これより一定割合，例えば
１０％高い燃料利用率８５％に相応する許容過電流値１
２Ｓを演算し応答速度調節部１３に向けて出力する。応
答速度調節部１３は燃料電池１と同程度の応答時定数を
有するフィルタで構成され、出力電流ｉFCの変化によっ
て許容過電流値１２Ｓに生ずる過渡的変動を除去した許
容過電流目標値１１Ｓを次段の過電流制限手段１５に向
けて出力する。また、過電流制限手段１５は燃料電池の
出力電流の検出値ｉfcと許容過電流目標値１１Ｓとを受
けて両者の偏差を誤差増幅する比例・積分調節器１５Ａ
と、定電圧調節器３Ｃの入力側から比例・積分調節器１
５Ａの出力側に向かう方向を順方向として接続された電
圧ブロックダイオ−ド１５Ｂとで構成され、検出値４Ｓ
が許容過電流目標値１１Ｓを上回ったとき、比例・積分
調節器１５Ａの出力が反転して負側に飽和し、電圧ブロ
ックダイオ−ド１５Ｂが導通状態となって電圧設定器３
Ａの目標電圧を低下させるので、定電圧調節器３Ｃは電
力変換器２の出力を絞る制御信号３Ｓを出力することに
なり、燃料電池１の過電流を抑制する保護動作が行われ
る。
【００１７】上述のように構成されたガス欠防止回路１
０を備えた燃料電池発電装置においては、過電流設定値
を越えない範囲での負荷の上昇に対しては、例えば１０
％高い燃料利用率８５％の範囲で燃料ガスを余分に消費
して定常運転が行われ、過電流設定値を越える負荷の上
昇に対しては過電流保護動作によって燃料利用率が８５
％を越えない範囲に過電流を抑制して負荷の上昇に追従
する制御が行われることなり、過電流およびガス欠を排
除して燃料ガスの特性低下を防止できる利点が得られ
る。なお、この発明は燃料利用率の許容値を８５％に限
定するものではなく、燃料電池の特性に影響を及ぼさな
い範囲で任意に設定されてよい。
０を備えた燃料電池発電装置においては、過電流設定値
を越えない範囲での負荷の上昇に対しては、例えば１０
％高い燃料利用率８５％の範囲で燃料ガスを余分に消費
して定常運転が行われ、過電流設定値を越える負荷の上
昇に対しては過電流保護動作によって燃料利用率が８５
％を越えない範囲に過電流を抑制して負荷の上昇に追従
する制御が行われることなり、過電流およびガス欠を排
除して燃料ガスの特性低下を防止できる利点が得られ
る。なお、この発明は燃料利用率の許容値を８５％に限
定するものではなく、燃料電池の特性に影響を及ぼさな
い範囲で任意に設定されてよい。
【００１８】図２はこの発明の異なる実施例になるガス
欠防止回路の要部を簡略過して示す構成図であり、ガス
欠防止手段２１が過電流許容値演算部１２の他に許容過
電流値の上限値制限部２２を含んでいる点が前述の実施
例と異なっている。即ち、過電流許容値演算部１２は余
裕分設定器１２Ａおよび加算器１２Ｂからなり、余裕分
設定器１２Ａに基準となる燃料利用率例えば７５％に対
する余裕分例えば１０％に相応する電流値Δｉfcを設定
し、この電流値Δｉfcを加算器１２Ｂで出力電流ｉFCの
検出値ｉfcに加算することにより、燃料利用率８５％に
相応するｉfc＋Δｉfcなる許容過電流値１２Ｓを出力す
る。また、応答速度調節部１３は燃料電池１と同等の応
答時定数を有するフィルタとして構成され、出力電流ｉ
fcの定常的な変動に基づく許容過電流値１２Ｓの変動を
除去し、過電流設定値１３Ｓとして図示しない過電流制
限手段１５に向けて出力する。また、上限値制限部２２
は上限値設定器２２Ａ，ブロックダイオ−ド２２Ｂから
なり、上限値設定器１６Ａに許容過電流値１２Ｓの上限
値として燃料電池の定挌出力電流に相応する電流値ｉ
100 を設定しておくことにより、燃料電池１に定挌電流
を越える過電流が発生するとブロックダイオ−ド１６Ｂ
が導通し、許容過電流値１２Ｓをその上限値に抑制する
ので、許容過電流値１２Ｓは頭打ちとなり、定挌電流を
越える領域を保護領域として短絡電流などを抑制するこ
とができる。
欠防止回路の要部を簡略過して示す構成図であり、ガス
欠防止手段２１が過電流許容値演算部１２の他に許容過
電流値の上限値制限部２２を含んでいる点が前述の実施
例と異なっている。即ち、過電流許容値演算部１２は余
裕分設定器１２Ａおよび加算器１２Ｂからなり、余裕分
設定器１２Ａに基準となる燃料利用率例えば７５％に対
する余裕分例えば１０％に相応する電流値Δｉfcを設定
し、この電流値Δｉfcを加算器１２Ｂで出力電流ｉFCの
検出値ｉfcに加算することにより、燃料利用率８５％に
相応するｉfc＋Δｉfcなる許容過電流値１２Ｓを出力す
る。また、応答速度調節部１３は燃料電池１と同等の応
答時定数を有するフィルタとして構成され、出力電流ｉ
fcの定常的な変動に基づく許容過電流値１２Ｓの変動を
除去し、過電流設定値１３Ｓとして図示しない過電流制
限手段１５に向けて出力する。また、上限値制限部２２
は上限値設定器２２Ａ，ブロックダイオ−ド２２Ｂから
なり、上限値設定器１６Ａに許容過電流値１２Ｓの上限
値として燃料電池の定挌出力電流に相応する電流値ｉ
100 を設定しておくことにより、燃料電池１に定挌電流
を越える過電流が発生するとブロックダイオ−ド１６Ｂ
が導通し、許容過電流値１２Ｓをその上限値に抑制する
ので、許容過電流値１２Ｓは頭打ちとなり、定挌電流を
越える領域を保護領域として短絡電流などを抑制するこ
とができる。
【００１９】図３は異なる実施例におけるガス欠防止手
段の許容過電流値を示す特性線図であり、燃料消費率８
５％に相応する許容過電流値１２Ｓは、燃料電池の定挌
出力電流のほぼ０〜９０％の範囲で電流検出値ｉfcより
余裕分Δｉfcだけ高いｉfc＋Δｉfcを示し、定挌出力電
流のほぼ９０％を越える領域では上限値制限部１６が機
能して許容過電流値１２Ｓをそのｉ100 に抑制するの
で、燃料電池に定挌出力電流が流れている状態では余裕
分Δｉfcはほぼ０となる。その結果、ガス欠防止回路の
過電流保護領域は、図中実線で示す許容過電流値１２Ｓ
を越える領域に拡張され、燃料電池の出力電流ｉFCのほ
ぼ全域に渡って余裕分Δｉfcを保持して過電流保護およ
びガス欠防止が行われ、余裕分Δｉfcの範囲内での出力
電流ｉFCの変動に対しては、燃料電池がその燃料消費率
を例えば８５％以下の範囲で過渡的に上昇させて負荷の
上昇を吸収し、余裕分Δｉfcを越える大きな負荷上昇に
対しては過電流保護回路が過電流制限手段１５を介して
系電圧制御回路３に制御信号３Ｓを出力し、電力変換器
２が出力電流ｉFCを絞ることによって燃料消費率を８５
％に抑制するので、ガス欠の発生を防止することができ
る。
段の許容過電流値を示す特性線図であり、燃料消費率８
５％に相応する許容過電流値１２Ｓは、燃料電池の定挌
出力電流のほぼ０〜９０％の範囲で電流検出値ｉfcより
余裕分Δｉfcだけ高いｉfc＋Δｉfcを示し、定挌出力電
流のほぼ９０％を越える領域では上限値制限部１６が機
能して許容過電流値１２Ｓをそのｉ100 に抑制するの
で、燃料電池に定挌出力電流が流れている状態では余裕
分Δｉfcはほぼ０となる。その結果、ガス欠防止回路の
過電流保護領域は、図中実線で示す許容過電流値１２Ｓ
を越える領域に拡張され、燃料電池の出力電流ｉFCのほ
ぼ全域に渡って余裕分Δｉfcを保持して過電流保護およ
びガス欠防止が行われ、余裕分Δｉfcの範囲内での出力
電流ｉFCの変動に対しては、燃料電池がその燃料消費率
を例えば８５％以下の範囲で過渡的に上昇させて負荷の
上昇を吸収し、余裕分Δｉfcを越える大きな負荷上昇に
対しては過電流保護回路が過電流制限手段１５を介して
系電圧制御回路３に制御信号３Ｓを出力し、電力変換器
２が出力電流ｉFCを絞ることによって燃料消費率を８５
％に抑制するので、ガス欠の発生を防止することができ
る。
【００２０】図４はこの発明の他の実施例になるガス欠
防止回路の要部を簡略化して示す構成図であり、ガス欠
防止手段３１が、過電流許容値演算部１２，上限値制御
部２２の他に、下限値設定器３２Ａ，ブロックダイオ−
ド３２Ｂからなる下限値制限部３２を備えた点が前述の
実施例と異なっており、下限値設定器３２Ａには燃料電
池の定挌電流値の５０％に相応する許容過電流値ｉ50を
設定し、ブロックダイオ−ド３２Ｂは下限値設定器３２
Ａから過電流許容値演算部１２の出力側に向かう方向を
順方向として接続することにより、許容過電流値１２Ｓ
が下限値設定器３２Ａの設定値ｉ50以下に低下するとブ
ロックダイオ−ド３２Ｂが導通状態となって許容過電流
値１２Ｓをｉ50レベルに押し上げるよう動作する。
防止回路の要部を簡略化して示す構成図であり、ガス欠
防止手段３１が、過電流許容値演算部１２，上限値制御
部２２の他に、下限値設定器３２Ａ，ブロックダイオ−
ド３２Ｂからなる下限値制限部３２を備えた点が前述の
実施例と異なっており、下限値設定器３２Ａには燃料電
池の定挌電流値の５０％に相応する許容過電流値ｉ50を
設定し、ブロックダイオ−ド３２Ｂは下限値設定器３２
Ａから過電流許容値演算部１２の出力側に向かう方向を
順方向として接続することにより、許容過電流値１２Ｓ
が下限値設定器３２Ａの設定値ｉ50以下に低下するとブ
ロックダイオ−ド３２Ｂが導通状態となって許容過電流
値１２Ｓをｉ50レベルに押し上げるよう動作する。
【００２１】図５は他の実施例におけるガス欠防止手段
の許容過電流値を示す特性線図であり、燃料電池出力電
流ｉFCが定挌電流の５０％以下に低下した軽負荷領域で
は、下限値制限部３２によって許容過電流値がｉ50一定
に保持され、許容過電流値の余裕分Δｉfc，を燃料電池
の出力電流ｉFCの減少に逆比例して拡大する機能が得ら
れる。そこで、図示しない燃料ガス供給系を燃料電池の
定挌電流の５０％以下の軽負荷領域で一律に５０％負荷
相当の燃料ガス供給量を供給できるよう制御すれば、燃
料電池は軽負荷領域で許容過電流値の余裕分Δｉfcに相
応する燃料ガスの余裕分を保持して定常運転されること
になり、この間電力変換器が出力電流の急増を要求した
場合にも、ガス欠を生ずることなく遅滞なく出力電流を
急増できるので、従来、燃料ガス供給量が少ない軽負荷
領域で負荷の上昇を求められることによって生じ易かっ
たガス欠，およびこれに起因する燃料電池の特性低下を
未然に防止する利点が得られる。また、許容過電流値ｉ
50を越える過電流に対してはガス欠防止回路が過電流保
護動作によって燃料電池の出力電流を絞り、ガス欠を防
止できる利点が得られる。
の許容過電流値を示す特性線図であり、燃料電池出力電
流ｉFCが定挌電流の５０％以下に低下した軽負荷領域で
は、下限値制限部３２によって許容過電流値がｉ50一定
に保持され、許容過電流値の余裕分Δｉfc，を燃料電池
の出力電流ｉFCの減少に逆比例して拡大する機能が得ら
れる。そこで、図示しない燃料ガス供給系を燃料電池の
定挌電流の５０％以下の軽負荷領域で一律に５０％負荷
相当の燃料ガス供給量を供給できるよう制御すれば、燃
料電池は軽負荷領域で許容過電流値の余裕分Δｉfcに相
応する燃料ガスの余裕分を保持して定常運転されること
になり、この間電力変換器が出力電流の急増を要求した
場合にも、ガス欠を生ずることなく遅滞なく出力電流を
急増できるので、従来、燃料ガス供給量が少ない軽負荷
領域で負荷の上昇を求められることによって生じ易かっ
たガス欠，およびこれに起因する燃料電池の特性低下を
未然に防止する利点が得られる。また、許容過電流値ｉ
50を越える過電流に対してはガス欠防止回路が過電流保
護動作によって燃料電池の出力電流を絞り、ガス欠を防
止できる利点が得られる。
【００２２】
【発明の効果】この発明は前述のように、定電圧制御回
路によって定電圧制御される燃料電池発電装置のガス欠
防止回路を、ガス欠防止手段およびその出力過電流設定
値を受けて動作する過電流制限手段で構成した。その結
果、基準値より一定割合高い燃料利用率と燃料電池出力
電流とに基づいてガス欠防止手段が出力する過電流設定
値に基づいて過電流保護を行うことが可能となり、定常
運転中の負荷の急増によって従来発生した過電流を過電
流設定値以下に抑制できると同時に、燃料消費率も過電
流設定値が指示する基準値より一定割合高い燃料利用率
以下に抑制できるので、従来問題となったガス欠および
これに起因する燃料電池の特性低下を防ぎ、かつ燃料電
池の寿命特性の向上に貢献できるガス欠防止回路を備え
た燃料電池発電装置を提供することができる。
路によって定電圧制御される燃料電池発電装置のガス欠
防止回路を、ガス欠防止手段およびその出力過電流設定
値を受けて動作する過電流制限手段で構成した。その結
果、基準値より一定割合高い燃料利用率と燃料電池出力
電流とに基づいてガス欠防止手段が出力する過電流設定
値に基づいて過電流保護を行うことが可能となり、定常
運転中の負荷の急増によって従来発生した過電流を過電
流設定値以下に抑制できると同時に、燃料消費率も過電
流設定値が指示する基準値より一定割合高い燃料利用率
以下に抑制できるので、従来問題となったガス欠および
これに起因する燃料電池の特性低下を防ぎ、かつ燃料電
池の寿命特性の向上に貢献できるガス欠防止回路を備え
た燃料電池発電装置を提供することができる。
【００２３】また、ガス欠防止手段に過電流設定値の上
限値制限部を付加するよう構成すれば、重負荷領域にお
ける短絡電流等の過電流保護が可能になる。さらに、ガ
ス欠防止手段に過電流設定値の下限値制限部を付加する
よう構成すれば、軽負荷領域で負荷が急増する際生じや
すいガス欠を排除し、負荷の急増に対する燃料電池の追
従性を向上できる利点が得られる。
限値制限部を付加するよう構成すれば、重負荷領域にお
ける短絡電流等の過電流保護が可能になる。さらに、ガ
ス欠防止手段に過電流設定値の下限値制限部を付加する
よう構成すれば、軽負荷領域で負荷が急増する際生じや
すいガス欠を排除し、負荷の急増に対する燃料電池の追
従性を向上できる利点が得られる。
【図１】この発明の実施例になる燃料電池発電装置とそ
のガス欠防止回路を簡略化して示す構成図
のガス欠防止回路を簡略化して示す構成図
【図２】この発明の異なる実施例になるガス欠防止回路
の要部を簡略過して示す構成図
の要部を簡略過して示す構成図
【図３】異なる実施例におけるガス欠防止手段の許容過
電流値を示す特性線図
電流値を示す特性線図
【図４】この発明の他の実施例になるガス欠防止回路の
要部を簡略化して示す構成図
要部を簡略化して示す構成図
【図５】他の実施例におけるガス欠防止手段の許容過電
流値を示す特性線図
流値を示す特性線図
【図６】従来の燃料電池発電装置とその過電流保護回路
を簡略化して示す構成図
を簡略化して示す構成図
【図７】従来の過電流保護回路の過電流保護領域を示す
特性線図
特性線図
１ 燃料電池 ２ 電力変換器 ３ 定電圧制御回路 ３Ａ 電圧設定器 ３Ｂ 電圧検出器 ３Ｃ 定電圧調節器 ４ 過電流保護回路 ４Ａ 過電流設定器 ４Ｂ 電流検出器 ５ 過電流制限回路 ５Ａ 比例・積分調節器 ５Ｂ 電圧ブロックダイオ−ド １０ ガス欠防止回路 １１ ガス欠防止手段 １１Ｓ 過電流設定値 １２ 過電流許容値演算部 １２Ａ 余裕分設定器 １２Ｂ 加算器 １２Ｓ 許容過電流値 １３ 応答速度調節部 １５ 過電流制限手段 １５Ａ 比例・積分調節器 １５Ｂ 電圧ブロックダイオ−ド ２１ ガス欠防止手段 ２２ 上限値制御部 ２２Ａ 上限値設定器 ２２Ｂ ブロックダイオ−ド ３１ ガス欠防止手段 ３２ 下限値制限部 ３２Ａ 下限値設定器 ３２Ｂ ブロックダイオ−ド ｉFC 燃料電池の出力電流 ｉfc 燃料電池の出力電流検出値 ｉ100 過電流設定値の上限値 ｉ50 過電流設定値の下限値
Claims (4)
- 【請求項１】燃料ガスおよび反応空気の供給を受けて発
電する燃料電池と、その出力側に接続された電力変換器
と、電圧設定器の設定電圧に対する前記電力変換器の出
力電圧の偏差を誤差増幅して前記電力変換器の出力電流
を制御する定電圧制御回路とを含む燃料電池発電装置の
ガス欠防止回路であって、前記燃料電池の許容過電流値
を基準値より一定割合高い燃料利用率と燃料電池出力電
流とに基づいて演算しその値を更新する過電流許容値演
算部，および許容過電流値の過渡的変動を除去して過電
流設定値として出力する応答速度調節部からなるガス欠
防止手段と、前記燃料電池の出力電流値が前記過電流設
定値を越えたとき前記電圧設定器の設定電圧を低減する
信号を前記定電圧制御回路に向けて出力する過電流制限
手段とを備えてなることを特徴とする燃料電池発電装置
のガス欠防止回路。 - 【請求項２】過電流制限手段がガス欠防止手段からの過
電流設定値に対する燃料電池の出力電流の偏差を誤差増
幅する比例・積分調節器と、定電圧制御回路側から前記
比例・積分調節器の出力側に向かう方向を順方向として
接続された電圧ブロックダイオ−ドとを備えてなること
を特徴とする請求項１記載の燃料電池発電装置のガス欠
防止回路。 - 【請求項３】ガス欠防止手段が、余裕分設定器および加
算器からなり，燃料電池出力電流の検出値を基準燃料利
用率時の電流値としてこれに燃料利用率余裕分に相応す
る一定電流値を加算した許容過電流値を出力する過電流
許容値演算部と、許容過電流値の上限値設定器およびブ
ロックダイオ−ドからなり，前記許容過電流値を燃料電
池の定挌電流値に相応する電流値を上限値として抑制す
る上限値制限部とを備えてなることを特徴とする請求項
１記載の燃料電池発電装置のガス欠防止回路。 - 【請求項４】ガス欠防止手段が、燃料電池の定挌電流値
の５０％に相応する許容過電流値を設定値とする下限値
設定器と、この下限値設定器から過電流許容値演算部の
出力側に向かう方向を順方向として接続されたブロック
ダイオ−ドとからなる許容過電流値の下限値制限部を備
えてなることを特徴とする請求項３記載の燃料電池発電
装置のガス欠防止回路。
Priority Applications (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP28284993A JP3384059B2 (ja) | 1993-11-12 | 1993-11-12 | 燃料電池発電装置 |
| US08/338,745 US5624768A (en) | 1993-11-12 | 1994-11-09 | Gas shortage preventive circuit for a fuel cell power generation system |
| DE4440357A DE4440357B4 (de) | 1993-11-12 | 1994-11-11 | Brennstoffzellen-Energieerzeugungsanlage mit Gasverknappungs-Schutzschaltung |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP28284993A JP3384059B2 (ja) | 1993-11-12 | 1993-11-12 | 燃料電池発電装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH07135013A true JPH07135013A (ja) | 1995-05-23 |
| JP3384059B2 JP3384059B2 (ja) | 2003-03-10 |
Family
ID=17657872
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP28284993A Expired - Fee Related JP3384059B2 (ja) | 1993-11-12 | 1993-11-12 | 燃料電池発電装置 |
Country Status (3)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US5624768A (ja) |
| JP (1) | JP3384059B2 (ja) |
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