CN104508886A - 固体氧化物燃料电池系统 - Google Patents

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Abstract

在具备固体氧化物燃料电池(1)的系统中，提供脱离系统电源(6)而切换为独立运行的情况下的适当控制。在独立运行时将固体氧化物燃料电池(1)的发电电功率设为固定电功率(500W等)，在系统的总负载电功率超出固定电功率(500W等)时，将向连接到独立专用插座(17)的外部负载的供电停止固定时间。在该停止时调整外部负载电功率，将总负载电功率设为固定电功率以下，由此在经过固定时间后重新开始供电。

Description

固体氧化物燃料电池系统
技术领域
本发明涉及具备将固体氧化物电解质膜用作电解质、能利用比较高的温度的发电高效地进行发电的固体氧化物燃料电池(SOFC)的固体氧化物燃料电池系统，特别是涉及能进行与系统电源连接的系统连接运行和脱离系统电源的独立运行的固体氧化物燃料电池系统。
背景技术
专利文献1中公开了紧急时应对式燃料电池系统。
其能与商用电源连接地使用靠近需要电功率的场所的基于分散型发电的电源，即使从商用电源切断，也能独立运行、独立启动。因此构成为能避免灾害时等的短路事故，能向家庭供电，能适当消耗基于家庭功耗的变动的剩余电功率而安全运行。
在该专利文献1中，在独立运行时，根据外部负载电功率而任意变动，向家庭进行供电。在该情况下，难以与家庭功耗的变动对应地发电，因此进行比家庭功耗过剩的发电，剩余电功率由负载装置适当消耗。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本公开专利公报：特开2007－179886号公报
发明内容
发明要解决的问题
但是，实际上难以由燃料电池总是比外部负载电功率多地发电，在该方面有改进的余地。
本发明是着眼于这样的现有的课题而完成的，其目的在于提供如下燃料电池系统：通过独立运行时的适当控制，不会使系统大型化，在停电时也能确保所需的电功率。
用于解决问题的方案
因此，本发明是固体氧化物燃料电池系统，具备：
固体氧化物燃料电池，其利用燃料和氧化剂的电化学反应进行发电；功率调节器，其设于该燃料电池的输出侧；以及控制装置，其控制上述燃料电池和上述功率调节器，能切换与系统电源连接的系统连接运行和脱离系统电源的独立运行，上述固体氧化物燃料电池系统的特征在于，
上述控制装置包含：
总负载电功率检测部，其在独立运行时检测本系统的总负载电功率；
发电电功率固定控制部，其在独立运行时将上述燃料电池的发电电功率控制为预定的固定值；以及
停止供电部，其在独立运行时的总负载电功率超出上述固定值的情况下，将向连接到本系统的外部负载的供电停止固定时间。
发明效果
根据本发明，将系统的发电电功率控制为固定的发电电功率，在总负载电功率超出该固定电功率时停止供电固定时间，在该期间内，能调整为仅在停电时实际上需要的功耗并在经过固定时间后重新开始供电。
由此，在临时停电时，不必为了总是比外部负载的功耗多地发电而增大系统发电量，能抑制伴随系统的大型化、进而发电量增大的成本上升，并且能确保实际上合理的供电。
附图说明
图1是示出本发明的一实施方式的固体氧化物燃料电池系统的构成图。
图2是从停止状态启动上述系统并设为独立运行固定电功率控制时的时序图。
图3是上述系统从高电功率运行状态使输出电功率下降并设为独立运行固定电功率控制时的时序图。
图4是模式切换控制的流程图。
图5是独立运行模式的流程图。
图6是示出在独立运行固定电功率控制时外部负载电功率超出固定电功率时的状态的时序图。
具体实施方式
以下对本发明的实施方式详细地说明。
图1是示出本发明的一实施方式的固体氧化物燃料电池系统的构成图。
本实施方式的固体氧化物燃料电池系统构成为包含固体氧化物燃料电池(SOFC)1、功率调节器(PCS)2以及控制装置100。
固体氧化物燃料电池(SOFC)1是多个固体氧化物燃料电池单元的组合体(电池堆)。各燃料电池单元具有燃料极(阳极)、氧化剂极(阴极)、以及配置于它们之间的电解质层。对燃料极供应含氢燃料，对氧化剂极供应空气(含氧)作为氧化剂。
因此，固体氧化物燃料电池(SOFC)1是对电解质层的一端侧的燃料极供应氢，对电解质层的另一端侧供应氧，由此通过氢和氧的电化学反应而发电(产生直流电功率)。利用固体氧化物电解质膜形成电解质层的固体氧化物燃料电池(SOFC)1在比较高的温度下发电，因此能高效发电，作为家用特别优良。
此外，为了向燃料极供应含氢燃料，一般使用如下燃料改性装置：其使用改性催化剂，利用水蒸汽改性反应、部分氧化反应、自热改性反应等对烃类燃料(例如城市废气、LPG、煤油、甲醇、生物燃料等)进行改性，生成富氢的改性气体，但是省略图示。另外，在固体氧化物燃料电池系统中，在使用燃料改性装置的情况下，不必除去改性气体中的CO，因此具有装置简化而且能将CO用于发电等优点。此外，在将不需要改性处理的燃料(例如，纯氢气、富氢气体、氢吸附剂等)用作燃料的情况下，能省略燃料改性装置。
功率调节器2输出由燃料电池1产生的直流电功率，另外，将直流电功率转换为交流电功率。因此，功率调节器2构成为包含：将由燃料电池1产生的直流电功率输出的DC/DC转换器3；以及在其后级将直流电功率转换为交流电功率的DC/AC逆变器4。
功率调节器2的输出侧(DC/AC逆变器4的输出侧)通过系统连接继电器5连接到系统电源6和家用负载7。
因此，在系统连接时(系统连接继电器5开启时)，燃料电池1的发电电功率通过DC/AC逆变器4向家用负载7供应，在燃料电池1的发电电功率不够家用负载7的所需电功率的情况下，作为不足量，来自系统电源6的系统电功率向家用负载7供应。
另外，从系统连接继电器5的输出侧设置分支线，经由后述的切换继电器18，在系统连接时对来自燃料电池系统的各种辅助装置8和储热水单元51供电。另外，配设在储热水单元51内的散热器52也经由继电器53驱动。辅助装置8包含驱动省略图示的燃料改性装置、空气供应装置的设备(泵、加热器等)。
另外，在功率调节器2上连接有剩余电功率加热器9作为用于消耗剩余电功率的负载装置。作为剩余电功率加热器9，可以是DC加热器或者AC加热器中的任一个，但是在此例示AC加热器。剩余电功率加热器(AC加热器)9经由固态继电器(SSR)10连接到DC/AC逆变器4的输出侧。在具备燃料改性装置的固体氧化物燃料电池系统中，一般，剩余电功率的消耗通过使相当于剩余电功率量的剩余氢(和CO)在燃料改性装置的燃烧室燃烧而进行。但是，为了高精度地执行后述的独立运行的发电电功率固定控制，需要高精度地控制燃烧室温度，实质上困难。因此，为了高精度地执行发电电功率固定控制而设有剩余电功率加热器9。此外，剩余电功率加热器9在系统连接时，在燃料电池1的发电电功率超出家用负载7的所需电功率的情况下，当然也能在消耗剩余电功率以防止逆流时使用。另外，剩余电功率加热器9用于将剩余电功率转换为热，并加热储热水单元51的储热水槽内的水(热水)。但是，关于热利用并不限定于此。
控制装置100包括微型电子计算机，具备CPU、ROM、RAM以及输入输出接口等。在系统连接时，根据家用负载7的所需电功率控制燃料电池1的发电电功率，与此相应地控制功率调节器2(DC/DC转换器3、DC/AC逆变器4、固态继电器10等)。此外，能与功率调节器2之间进行数据的收发。
家用负载7的所需电功率的探测使用电功率测量器(变流器)11和电功率测量器12，电功率测量器(变流器)11测量从系统电源6对家用负载7供应的电功率，电功率测量器12测量从功率调节器2对家用负载7供应的电功率。
控制装置100对发电电功率的控制通过控制向燃料电池1的燃料和空气的供应量而进行。多数情况具备燃料改性装置，所以燃料供应量的控制成为控制向燃料改性装置供应的燃料量。
因此，控制装置100按照根据家用负载7的所需电功率而设定的燃料电池1的发电电功率目标值(以得到发电电功率目标值)来控制燃料和空气的供应量，由此控制燃料电池1的发电电功率。
另外，控制装置100与燃料电池1的发电电功率的控制同步地控制功率调节器2。具体地，基于燃料电池1的发电电功率目标值来设定/控制从燃料电池1输出的电流。更详细地，将燃料电池1的发电电功率目标值除以燃料电池1的输出电压来设定电流目标值，按照该电流目标值控制从燃料电池1输出的电流(扫描电流)。
本实施方式的固体氧化物燃料电池系统能进行与系统电源6连接的系统连接运行和脱离系统电源6的独立运行(脱离系统运行)。
为了能独立运行，在功率调节器2上能连接外部电源13。作为外部电源13，假设例如汽车的电池(DC12V)。因此，在功率调节器2内的DC/AC逆变器4的输入侧与DC/DC转换器3并联地设置专用的DC/DC转换器14，在该DC/DC转换器14的输入侧经由合适的连接器能连接外部电源13。由于能这样连接外部电源13，因而能应对在燃料电池1的发电停止而停电等的情况下为了独立运行而需要启动燃料电池1的情况。
另外，在功率调节器2中，作为独立运行时的输出线，与系统连接线L1区别地设有从DC/AC逆变器4经由独立启动继电器15和独立输出继电器16通向独立专用插座17的独立输出线L2。
另外，从独立启动继电器15和独立输出继电器16的连接点设有分支线，经由切换继电器18，在独立运行时对燃料电池系统的各种辅助装置8和储热水单元51供电。
控制装置100被输入来自运行模式切换开关20的信号。运行模式切换开关20能利用用户的操作在停电时等指示从系统连接运行向独立运行的转换，另外能在恢复通电时等指示从独立运行向系统连接运行的转换。因此，控制装置100能根据运行模式切换开关20的指令切换与系统电源6连接的系统连接运行和脱离系统电源6的独立运行。换句话说，系统连接运行和独立运行的模式切换不自动进行，而必须由用户操作运行模式切换开关20。
另外，为了独立运行时的控制，电功率测量器12对功率调节器2测量从功率调节器2供应的总负载电功率(对独立专用插座17供应的外部负载电功率以及包含辅助装置8、储热水单元51、剩余电功率加热器9在内的总负载的功耗)，由此得到的信息发送给控制装置100。
在停电时等从系统连接运行模式向独立运行模式切换的情况下，根据需要连接外部电源13，将运行模式切换开关20向独立运行模式侧操作(例如开启操作)。
由此，控制装置100将系统连接继电器5关闭，脱离系统电源6，而将独立启动继电器15和独立输出继电器16开启，切换为独立运行。另外，利用切换继电器18也切换向辅助装置8的供电线。
通过向独立运行的切换，对独立专用插座17供应燃料电池1的发电电功率，能使与其连接的各种外部负载(未图示)工作。
此外，燃料电池系统构成为：在系统电源6的运行时探测出停电时，在固定时间(例如15分钟)进入待机状态，如果在该待机时间内，则能顺利向独立运行转换。
在向独立运行转换时，在燃料电池1停止的情况下，需要启动燃料电池1。在该情况下，仅开启独立启动继电器15(独立输出继电器16关闭)，利用外部电源13驱动辅助装置8，并且启动燃料电池1。并且，在启动后开启独立输出继电器16，对独立专用插座17供应燃料电池1的发电电功率。
在独立运行模式下，控制装置100将燃料电池1的发电电功率控制为预定的固定电功率、例如(相对于额定值输出700W的)500W。因此，如果在转换时燃料电池1正在运行，则使发电电功率收敛为500W。在此时从高于500W的状态下降到500W的情况下，如图3所示，在下降到500W后开始向独立专用插座17供电。在此，如果在电功率下降时开始供电的话，则供电量相对于外部负载不足，由于供电量突然不足，有可能不能维持稳定的外部负载的工作。与此相对，在供应固定电功率的状态下供电不足通常是从最初外部负载电功率就过大的情况或者使用新的外部负载的情况，使用者能预先识别电功率不足的可能性，所以能避免上述的预料不到的事态。
在从低于500W的状态上升到500W的情况下，从250W程度开始向独立专用插座17供电。另一方面，在转换时燃料电池1停止时的情况下，如图2所示启动后升高到500W。在该情况下，在开始启动后上升到250W程度的时间点开始向独立专用插座17供电。
在这样使发电电功率上升的情况下，将起始供应电功率设定为小于固定输出，由此能尽量缩短从停电到开始供电的待机时间，能迅速确保所需的最小限度的电功率。
在以上的独立运行模式下，在固定电功率(500W)的发电时，超出外部负载电功率的剩余电功率(＝固定发电电功率－外部负载电功率)基本上通过作为负载装置的剩余电功率加热器9消耗。或者在规定的条件下使用储热水单元51内的散热器52取代剩余电功率加热器9，或者与剩余电功率加热器9并用地使用储热水单元51内的散热器52消耗。
在独立运行模式下，在外部负载电功率超出固定发电电功率的情况下，即在过负载的情况下，原则上停止向外部负载供电。即，关闭独立输出继电器16，停止向独立专用插座17供电。此时也继续固定电功率(500W)的发电，剩余量全部由剩余电功率加热器9等消耗。
在供电停止后，在预定的固定时间(例如30秒)后再次开启独立输出继电器16，重新开始向独立专用插座17供电。
并且，在供电重新开始后再次检查负载状态，如果是适当的负载则继续供电，而如果是过负载则再次停止供电固定时间(30秒)。该固定时间(30秒)是用户期待减少负载的等待时间。
接着，通过流程图说明利用图4和图5控制的流程。
图4是利用控制装置100执行的模式切换控制的流程图。此外，假设初始状态是系统连接运行模式。
在S1中，判定运行模式切换开关20是否由于停电等而被开启操作，在被开启操作的情况下进入S2。
在S2中，执行系统脱离。在下面的S3中，判定燃料电池(FC)1是否为停止时，如果是停止时，进入S4，启动燃料电池1。在燃料电池1正在运行的情况下或者燃料电池1的启动完成的情况下，向S5的独立运行模式转换。
然后，在S6中判定运行模式切换开关20是否由于恢复通电等而被关闭操作，在被关闭操作的情况下进入S7。
在S7中，执行系统连接。并且，返回S8的系统连接运行模式。
图5是利用控制装置100执行的独立运行模式的流程图。
在S11中，将发电电功率固定为预定的固定电功率、例如500W，对外部负载供电，设定剩余电功率利用剩余电功率加热器9等消耗。该发电电功率固定控制部利用将目标发电电功率设为固定(500W)的控制顺序来执行，该功能相当于发电电功率固定控制部。
在S12中，利用电功率测量器21测量总负载电功率。基于该电功率测量器21的总负载电功率测量功能相当于总负载电功率检测部。
在S13中，判定总负载电功率是否为作为发电电功率的固定电功率(500W)以下，在维持为固定电功率以下时进入S15。
在判定为总负载电功率超出固定电功率的情况下，基于过负载的判定在S14中关闭独立输出继电器16，停止向独立专用插座17供电。在该外部负载电功率超出上述固定值的情况下停止向外部负载供电固定时间的功能相当于停止供电部。接着进入S15。
在S15中，判定储热水槽内的热水的温度是否维持为上限温度以下。
在判定为热水的温度维持为上限温度以下的情况下，在S16中仅有剩余电功率加热器9消耗剩余电功率。
另一方面，在判定为储热水槽内的热水温度超出上限温度的情况下，为了抑制热水过热，开启继电器53，驱动储热水单元51内的用于冷却热水的散热器52而消耗剩余电功率。具体地，通过驱动使热水在散热器52中循环的电动泵、对散热器52的鳍片鼓风的电动风扇而消耗剩余电功率。此外，也可以从剩余电功率加热器9切换为散热器52的驱动，但是也可以并用这些来消耗剩余电功率。这样，通过使用散热器52来消耗剩余电功率，能不会使热水过热地消耗剩余电功率。
图6示出在独立运行固定电功率控制时总负载电功率超出固定电功率时的状态。
这样，如果在独立运行时预先将发电电功率设定为500W等比较高的值的话，例如，如果使用TV、冰箱、荧光灯作为外部负载时的系统功耗(总负载电功率)为300W，则即使在停电的情况下也能维持停电前的使用状态。而且，在空调的功耗为200W以下的情况下，即使在使用空调的情况下也能维持其使用状态。
另一方面，在空调的功耗为250W、系统功耗(总负载电功率)超出500W的情况下暂时停止供电，而在该期间内停止除了空调之外的负载的使用，保留判断为对使用者来说最低限度的负载，由此能重新开始供电。
这样，根据上述控制，在临时的停电时不必为了总是比外部负载的功耗多地发电而增大系统发电量，能抑制伴随系统的大型化、进而发电量增大的成本上升，并且能确保所需的电功率，可得到实际上合理的供电功能。
另外，在图2(的固定电功率控制部分)和图6中可明确，固定电功率控制时的外部负载的急剧变动也能利用剩余电功率加热器9等响应良好地消耗剩余电功率并维持固定电功率。
此外，在上述的说明中，控制装置100从功率调节器2独立出来设置，但是也可以使功率调节器2内的控制器分担控制功能的一部分，协作地控制运行。或者，也可以将控制装置100自身收纳配置在功率调节器2的箱体内。
另外，在上述的说明中，关于发电电功率、供电停止时间等示出数值来说明，但这是为了容易理解，其宗旨不是限定数值。
另外，图示的实施方式仅是例示本发明，本发明除了利用说明的实施方式直接示出之外，当然还包含在权利要求书内由本领域技术人员进行的各种改进/变更的方式。
附图标记说明
1   固体氧化物燃料电池(SOFC)
2   功率调节器
3   DC/DC转换器
4   DC/AC逆变器
5   系统连接继电器
6   系统电源
7   家用负载
8   辅助装置
9   剩余电功率加热器(AC加热器)
10  固态继电器
11  电功率测量器
12  电功率测量器
13  外部电源
14  外部电源用DC/DC转换器
15  独立启动继电器
16  独立输出继电器
17  独立专用插座
18  切换继电器
20  运行模式切换开关
51  储热水单元
52  散热器
53  继电器

Claims (6)

1.一种固体氧化物燃料电池系统，具备：固体氧化物燃料电池，其利用燃料和氧化剂的电化学反应进行发电；功率调节器，其设于该燃料电池的输出侧；以及控制装置，其控制上述燃料电池和上述功率调节器，能切换与系统电源连接的系统连接运行和脱离系统电源的独立运行，上述固体氧化物燃料电池系统的特征在于，
上述控制装置包含：
总负载电功率检测部，其在独立运行时检测本系统的总负载电功率；
发电电功率固定控制部，其在独立运行时将上述燃料电池的发电电功率控制为预定的固定值；以及
停止供电部，其在独立运行时的总负载电功率超出上述固定值的情况下，将向在独立运行时连接到本系统的外部负载的供电停止固定时间。
2.根据权利要求1所述的固体氧化物燃料电池系统，其特征在于，
上述控制装置还包含剩余电功率消耗部，
上述剩余电功率消耗部在独立运行时上述固定值超出外部负载电功率的情况下，将超出该外部负载电功率的剩余电功率利用剩余负载消耗。
3.根据权利要求1所述的固体氧化物燃料电池系统，其特征在于，上述剩余负载包含电加热器。
4.根据权利要求1所述的固体氧化物燃料电池系统，其中，上述剩余负载包含冷却器，上述冷却器在利用电加热器加热的热水的温度为规定值以上时将该热水冷却。
5.根据权利要求1所述的固体氧化物燃料电池系统，其中，在系统连接运行时的燃料电池的发电从停止状态或者低于上述固定值的发电电功率的运行状态切换为独立运行时，使燃料电池的发电输出逐渐增大直至达到上述固定值，并且在达到低于上述固定值的预定的输出值时，能向外部负载输出。
6.根据权利要求1所述的固体氧化物燃料电池系统，其中，在系统连接运行时的燃料电池的发电输出从高于上述固定值的状态切换为独立运行时，使燃料电池的发电输出逐渐减小，在减小到上述固定值时，能向外部负载输出。
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