JP2002505509A - 燃料電池発電装置のエネルギー除去装置 - Google Patents

燃料電池発電装置のエネルギー除去装置

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JP2002505509A JP2000533916A JP2000533916A JP2002505509A JP 2002505509 A JP2002505509 A JP 2002505509A JP 2000533916 A JP2000533916 A JP 2000533916A JP 2000533916 A JP2000533916 A JP 2000533916A JP 2002505509 A JP2002505509 A JP 2002505509A
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エメリー ヴェヨ，ステファン
トッド ディダラー，ジェフリー
トマス ゴードン，ジョン
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ジーメンス ウェスティングハウス パワー コーポレイション
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Abstract

(57)【要約】 燃料電池発電装置の電力出力が終了した際に、燃料電池発電装置に残存する燃料の化学エネルギーを除去するための装置と方法を開示するものである。発電装置が停止状態にある間、電気抵抗性の要素が自動的に燃料電池発電装置の端子間に接続され、電流を抜き出し、それにより、発電装置内の残留燃料を消耗させるようにしている。本発明は燃料エネルギーを除去するための安全な機能を有し、また過熱を防ぐことにより燃料電池スタックの保護をも行なう。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】政府契約 アメリカ合衆国政府は、アメリカ合衆国エネルギー庁により授与された契約番
号DE-FC21-91MC28055によって、この発明について所定の権利を有している。
【０００２】発明の分野 本発明は燃料電池発電装置に関するもので、特に、発電装置の停止中の燃焼ゾ
ーンに望ましくない熱の蓄積を減らすエネルギー除去装置に関するものである。
【０００３】背景情報 今までの固体酸化物型燃料電池(ＳＯＦＣ)発電装置は、典型的には管状の矩形
の列のグループに整列したものであった。燃料電池はそれぞれ上側端部が開口し
下側端部が閉じており、開口端が燃焼ゾーンに延びている。典型的な管状の燃料
電池には、円筒状の内部空気極と、内部空気極の外側表面の大部分を覆う電解質
物質の層と、その電解質物質の外表面の大部分を覆う円筒形の燃料極とがある。
燃料電池の長手方向に延びるインターコネクタは、電解質物質に覆われていない
空気極の外側表面の周辺部分を覆っている。導電性の帯がインターコネクタの外
側表面を覆っており、隣接の燃料電池もしくはバスバーへの電気接続を可能にし
ている。空気極はランタン・マンガンのようなランタンを含んだ多孔性の物質で
構成されていることもあり、一方、燃料極は多孔性のニッケル・ジルコニウムの
サーメットで構成されていることもある。電解質は空気極と燃料極の間に位置し
ていて、典型的にはイットリア安定化ジルコニアで構成されている。インターコ
ネクタはランタン・亜クロム酸塩で構成されていることもあるが、導電性の帯は
ニッケル・ジルコニウムのサーメットで構成されていることもある。 ＳＯＦＣの例はアメリカ合衆国特許第4431715号(Isenberg氏)、第4490444号(I
senberg氏)、第4562124号(Ruka氏)、第4631238号(Ruka氏)、第4748091号(Isenbe
rg氏)、第4791035号(Reichner氏)、第4833045号(Pollack氏ら)、第4874678号(Re
ichner氏)、第4876163号(Reichner氏)、第5108850号(Carlson氏ら)、第5258240 号(Di Croce氏ら)、第5273828号(Draper氏ら)によって示されており、これらは 引用することを以て出願の一部とする。
【０００４】 燃料電池発電装置の運転中、各管状燃料電池の内部の空気極に空気が供給され
、高水素濃度の燃料が外側の燃料極表面に供給される。燃料と酸化剤は、電気エ
ネルギーを生成するために電気化学的に用いられる。１６％の酸素を含む減損空
気は(depleted air)、セルの開口端から流出し、水素濃度の低い使用済み燃料は
、セルの開口端を取り囲む燃焼ゾーンに放出される。
【０００５】 正常な運転状態では、燃料がセルスタック内で消費されるため、固体酸化物型
燃料の燃焼ゾーンに入る燃料ガスは水素濃度が低い。さらに、酸素が減損した空
気が比較的大量に電池を出て、燃焼空間内の空気−燃料比率を、化学量論比より
かなり高く維持している。このことにより、燃焼ゾーンの温度を約９５０℃とい
う、セルにとって十分許容範囲内に保つことが可能になっている。また、各セル
から流れる大量の空気によって、空気極と開口端とを水素減少の危険から守って
いる。
【０００６】 しかし、装置が停止している状態であって、スタックが開回路状態のとき、例
えば、グリッド接続がなくなると、空気供給は正常な空気の流れに比べて最大１
０％にまで、もしくはさらにそれより少なくなる。装置への燃料の流れは、燃料
極の酸化防止に寄与するパージングの流れに取って代わられる。このパージング
の流れにより、装置内に蓄えられた全ての燃料が燃焼ゾーンへと押し出され、そ
こで得られる空気と共に燃焼する。この状況に関して二つ根本的な配慮が必要な
ことがある。その１つは、空気−燃料比率が化学量論比に近くなり、燃焼がより
強くなり、燃焼ゾーンの温度上昇をもたらすことである。第２番目は、セルを出
る空気の流れが減少し、水素減少からセルの開口端を完全に保護するのに十分で
なくなってしまうかもしれないことである。どちらも燃料電池にダメージを与え
る可能性がある。
【０００７】 上記の問題は水素が大量に燃焼ゾーンに到達することを防ぐことができれば減
少するか、もしくはなくなるかもしれない。本発明はこの点を考慮し、また先行
技術の他の欠点に取り組むために開発された。
【０００８】発明の要旨 本発明は、スタックの端子が抵抗器を介して接続され、それにより、「停止」
の過渡的動作の初期の時点で、装置内部に蓄えられた燃料を消費するために電流
を引き出し続けることのできる燃料電池装置を提供する。電流は熱として抵抗器
内で除去されるため、燃料電池発電装置の燃焼ゾーンにおいて水素リッチ燃料の
酸化に伴う問題は減少するか、またはなくなる。
【０００９】 本発明の目的は、水素含有燃料と酸素含有ガスを電気エネルギーに変換し、ま
た、装置が停止した後に、装置に残る水素含有燃料を少なくとも一部を消費する
ために、装置から電流を引き出すエネルギー除去装置を有する燃料電池発電装置
を提供することである。
【００１０】 本発明の他の目的は、燃料電池装置の停止中にエネルギーを除去する方法を提
供することである。この方法は、水素含有燃料と酸素含有ガスを燃料電池発電装
置内で電気エネルギーに変換する工程と、装置が停止した後に、装置に残る水素
含有燃料の少なくとも一部を消費するために装置から電流を引き出す工程がある
。燃料が酸化された後、エネルギー除去装置は受動的かつ自動的に接続を遮断さ
れる。これは外部のエネルギー資源を用いることなく、またそれを必要とするこ
ともなく行われる。 本発明のこれらの目的、そしてその他の目的は以下の説明からさらに明らかに
なるだろう。
【００１１】望ましい実施例の説明 図１は、従来のＳＯＦＣ発電装置のスタック(10)の平面図で、装置内にある多
数の管状燃料電池(12)の配置を示している。 図２は、底端(13)と、燃料電池発電装置の燃焼ゾーン(15)に延びる開口端(14)
を有する管状燃料電池(12)単体の斜視図である。燃料電池(12)の内側層は多孔性
の空気極(16)で構成され、一方、燃料電池の外側層は多孔性の燃料極で構成され
る。燃料電池が正常に作動している間は、空気ＡIのような酸素含有ガスは、管(
18)によって燃料電池(12)に送り込まれる。この空気または他の酸素含有ガスが 管(18)によって燃料電池(12)に送り込まれた後は、上部の開口端(14)を通ってＡ E となって放出される。 発電中は、燃料電池（(12)を出る空気はセル内部で消費され、酸素量は減少す
る。典型的には改質された天然ガスなどの水素含有燃料ＦIは、多孔性の燃料極(
17)と接触しながら燃料電池(12)の外側に沿って流れる。発電中は、燃料中の水 素の大部分は、公知の如く、消費され、電気エネルギーが生成される。しかし、
装置の停止中、水素はもはや消費されず、燃焼ゾーン(15)に入る燃料ＦEは水素 を豊富に含んでいる。同時に、燃料電池(12)に送り込まれたＡEはもはや減損し ておらず、酸素リッチガスが燃料電池の開口端(14)を通って燃焼ゾーン(15)に放
出される。このようにして、装置の停止中、燃焼ゾーン(15)へさらなる水素と酸
素が導入されるため、燃焼ゾーン内でさらに燃焼が行われ、温度はより高くなる
。
【００１２】 本発明では、装置の停止中、燃料電池(12)から電流を引き出すことにより、燃
焼ゾーン(15)内の温度上昇は小さくなるか、又は全くなくなる。本明細書で使用
される「停止(shutdown)」は、ＳＯＦＣの直流出力とＤＣ／ＡＣインバーターの
ような任意の電気負荷装置とで構成される電気負荷回路が開くことを意味する。
本発明のエネルギー除去装置は燃料電池から電気エネルギーを熱の形で除去する
抵抗器を少なくとも１つ含むのが望ましい。この抵抗器の大きさや抵抗は、適当
なものであってよい。例えば約４３ポンドのステンレス鋼棒に収容される抵抗器
は約６.５オームのもので、１００ｋＷのＳＯＦＣスタックの構造に対しては足 りるだろう。この場合、金属棒が冷却されない場合、３００OＦの温度上昇とな る。これらのパラメータは、この装置が使用される具体的なスタックの構造に応
じて、適宜変更することができる。電気抵抗器は、必要に応じて、流体で冷却し
てもよい。例えば、抵抗器は空気で冷却してもよいし、水などの液体で冷却して
もよい。
【００１３】 燃料電池発電装置が正常に動作しているときは、燃焼ゾーンの運転温度は通常
、約８５０℃〜約１０００℃である。しかし、従来の発電装置は、停止中、燃焼
ゾーンの温度は１００℃以上上昇する。本発明では、発電装置の停止による燃焼
ゾーンの熱の蓄積は実質的に防止される。発電装置が停止した後、燃焼ゾーンの
温度上昇は３０℃以下であることが望ましい。
【００１４】 図３は、本発明の一実施例に係る燃料電池発電装置のエネルギー除去装置(20)
の概略的ダイヤグラムである。エネルギー除去装置(20)は、燃料電池発電装置の
主たる陽極(21)と陰極(22)に接続される。エネルギー除去装置の主な構成要素と
して、検知される電力バスからの電力を受け取る受動電圧センサー(23)と、適当
な低電圧レベルのときに、電力バス(21)(22)から抵抗要素又はファイアロッド(2
8)の接続を解除する分路トリップ回路ブレーカ(24)と、正常に運転されていると
き、エネルギー除去装置の回路を開くコンタクタ(26)と、検知回路が作動してか
ら定常状態になるまでの間、トリップ回路を開状態に維持するタイミングリレー
(32)と、全ての電力がなくなった場合に、タイマー(32)と回路ブレーカ(24)に電
力を供給するのに十分なエネルギーを供給する２つのキャパシタとを含んでいる
。
【００１５】 本発明のエネルギー除去装置は、正常停止(ＳＴＯＰ)の場合又は安全のための
停止(ＳＳＴＯＰ)の場合に、装置内に蓄えられたエネルギーを減らすものである
。安全のための停止とは、例えば、電力調整システム(ＰＣＳ)が故障したとき、
発電装置の負荷を切り離した時などに起こり得る。蓄えられたエネルギーは、燃
料供給システムが停止した後に、発電装置の格納部(containment)の中にトラッ プされた残存燃料によるものである。エネルギー除去装置は、ＰＣＳから負荷を
切り離し、エネルギーを蒸気供給システムのファイアロッド(28)へと逸散させる
。このようにエネルギーを除去することにより、突然の負荷ロスが起こったとき
、発電装置のスタックを過熱から保護する。このエネルギー除去装置は、無停電
電源装置(ＵＰＳ)の機能停止及び／又は設備電力の機能停止のときに、機能する
ことができる。
【００１６】 本発明の一実施例では、エネルギー除去装置は以下のように作動する。スタッ
クのエネルギーブリード回路は、スタックのエネルギー除去装置のインターロッ
クチャネルＳＥＤＩＮＴＬＫの不活動化により。制御コンピュータ(図示せず)か
らリード線(34)を通して動作が開始される。このチャネルからの信号はコンタク
タ(26)を不活動化(de-activate)する。また、制御コンピュータが機能停止した とき、この信号は、パイロット制御回路から発信(originate)又はインターロッ クすることができる。この信号は、発電装置が停止して開回路となり、電圧差が
高まると自動的に切り替わる電圧高閾値検知リレーから発することもできる。コ
ンタクタ(26)、回路ブレーカ(24)及び固定抵抗(28)が直列に接続された構成とし
ているので、ＳＯＦＣ発電装置の主端子(21)(22)に跨って分路(shunt path)が形
成される。一旦作動すると、分路は、ＳＯＦＣ端子間の固定抵抗要素を通じて、
制御された短絡回路を形成し、スタック内の残存燃料が消費される。所定時間の
後、トラップされた残存燃料が消費されて、スタック電圧が所定値以下に下降す
ると、制御された短絡回路は、低電圧で作動する電圧検知リレー(23)により、自
動的に取り除かれる。
【００１７】 回路を作動させるには、制御コンピュータからの開始信号だけを必要とする。
開始信号は、ＳＥＤＩＮＴＬＫ制御電圧を除去することである。開始信号の後、
回路は自律的に作動し、制御コンピュータからのさらなるシーケンシングは必要
としない。あるいはまた、電圧検知リレーは、システム回路が作動し、最初の電
圧低下が起こって上記の開始信号を発信した後で起動することができる。動作シ
ーケンスは次の通りである。
【００１８】 制御コンピュータはコンタクタ(26)を非活動状態にする。主接点(40)は閉じて
、ＳＯＦＣの直流主端子(21)(22)にある制御された短絡回路を印加する。同時に
、コンタクタ内補助接点(42)が低エネルギー分路トリップ回路を閉じる。これが
回路ブレーカ(24)の分路トリップ回路を作動させる。コンタクタ内の他の補助接
点(41)は、ＳＯＦＣの直流主端子(21)(22)の間にて電圧検知リレー(23)を接続す
る。これにより、電圧検知リレー(23)は直流電源の電圧を監視することが可能に
なる。３番目の補助接点(43)が開いて、タイマー(32)内の設定時間が開始する。
一旦タイムアウトすると、タイマー内の内部接点(45)が閉じて、回路ブレーカ(2
4)の作動が可能となる。このタイミングサイクルは、電圧検知リレー(23)内の過
渡的状態を取り除き、回路ブレーカ(24)の早期トリップ動作を未然に防ぐ。スタ
ックにトラップされた燃料が、制御された短絡回路によって、実質的に消費され
ると、電圧検知リレー(23)は、ＳＯＦＣの直流電源(21)(22)の電圧降下を検出す
る。電圧検知リレー(23)の閾電圧は、その入力電圧があるレベル以下になると該
リレーを作動させるものであり、例えば、ＳＯＦＣ発電装置の正常な開回路電圧
の約半分の値を選択することができる。これはスタック内の燃料リッチガスが実
質的に消費されたことを示している。
【００１９】 電圧低閾値に達したとき、電圧検知リレー(23)の接点は分路トリップ回路を閉
じる。これによって、キャパシタ(36)に蓄えられたエネルギーは、回路ブレーカ
(24)の低エネルギー分路トリップコイル(37)を通じて放出される。この動作によ
って回路ブレーカ(24)は開いて、ＳＯＦＣの直流主端子(21)(22)間における制御
された短絡回路が取り除かれる。回路ブレーカ(24)の一組の補助接点(38)は、低
エネルギー分路トリップコイル(37)に印加されるものからすべての残存電圧を取
り除く。この補助接点は、分路トリップコイルが開回路になったときに開く。こ
れが一連のシーケンスの終わりとなる。再スタートの前に、回路ブレーカ(24)は
手動操作でリセットされる。必要に応じて、回路ブレーカ(24)がトリップされた
かどうかを知るために、必要に応じて、回路ブレーカの状態を表示するインジケ
ータ(33)を用いることもできる。リード線(29)には、キャパシタ(36)が荷電され
たかどうかを示すセンサー(図示せず)を接続することもできる。
【００２０】 ＤＣ電流アークを確実に遮断するために、分路の除去手段をＤＣ回路ブレーカ
ーに設けることもできる。さらにまた、この実施例では、制御された短絡回路を
取り除くのに、ＵＰＳ電力なしに行なうことができる。この実施例では、低エネ
ルギー分路トリップコイルが必要とするのは、キャパシタが充電されているだけ
でよく、その他のどんな電力も必要としないから、エネルギー除去装置を受動的
に作動させることができる。
【００２１】 コンタクタ(26)内では常閉接点(40)を用いているため、正常停止事象をこのエ
ネルギーブリード回路によって行なうことができるのみならず、起こることは稀
であっても可能性のあるＵＰＳ機能停止の事象についても、この構成によって対
処することができる。制御コンピュータがＵＰＳの状態を監視する場合、ＵＰＳ
電源に機能停止が起こると、制御コンピュータは、スタックの発電を停止させる
最終コマンドを発するであろう。その時点から、前述した一連のシーケンスが開
始し、通常の終了状態へ進むことができ、ＵＰＳや他の電源を必要とすることな
く、受動的にＳＯＦＣ発電装置からスタックエネルギーを取り出すことができる
。 以下の例は本発明の種々の形態、構造の考察及び試験方法を示しているが、そ
こに示された範囲に限定されるものではない。
【００２２】実施例１ ０−５００ＤＣボルト電源と、別個の０−２５アンペアの直流電源を用いて、
シミュレートした全荷重条件下にて、スタックエネルギー除去装置の制御と電流
遮断回路の試験を行なった。個々の要素について、最初は、高い直流電流又は電
圧を印加せずに試験を行なった。分路トリップキャパシタの充電及び放電特性は
、２４ボルト直流電源を用いて試験した。コンタクタ(26)の回路ととタイマー(3
2)についても、同じ直流電源で試験した。システムは、ＵＰＳの機能停止と、正
常停止(ＳＴＯＰ)又は安全のための停止(ＳＳＴＯＰ)の両方の事態をシミュレー
トすることにより試験した。ＳＴＯＰは、通常のシステム遮断モードであり、一
方ＳＳＴＯＰは人間に対して物理的な危険がある欠陥状態である。外部回路接続
への全ての接点と信号は、端子ストリップで認証され、端子ストリップへの配線
が正しいことが確認される。
【００２３】 充電回路は、ダイオードを通じて、分路トリップキャパシタを十分に充電し保
持することが、試験結果から確認された。回路内のダイオード(39)は、キャパシ
タ(36)が充電回路を通じて放電するのを防止する。直流電源は、ＵＰＳのリード
線(31)を通じて、２４ボルトのＤＣ電源から発信するトリップ電力励起信号ＳＥ
ＤＴＰ(31)を供給する。インターロックＳＥＤＩＮＴＬＫのリード線(34)は、電
源からＳＥＤＴＰチャネルと平行に配線されている。回路内にトグルスイッチを
用いることにより、ＳＥＤＴＰ(31)及び／又はＳＥＤＩＮＴＬＫ(34)は、任意の
シーケンスにて接続を遮断することができる。３３００μＦの電解質キャパシタ
(36)は、数秒以内に充電を行ない、十分な荷電量を３０分以上保持する。充電回
路内のダイオード(39)は、１００ボルト、３アンペアのダイオードである。
【００２４】 コンタクタと、該コンタクタ(26)の頂部に取り付けられた補助接点の作動を確
認するために、別の試験を行なった。通常の発電装置の運転条件の下では、コン
タクタ(26)のコイルが励磁され、常閉状態の主接点(40)が一組開くことになる。
開状態になった主接点(40)は、固定抵抗(28)を通じて電流が流れるのを防止する
。コンタクタ(26)の一組の常閉補助接点(41)についても、通常の発電装置の作動
状態の下で開き、電圧検知リレー(23)を直流バスからその接続を遮断する。常閉
状態の補助接点(42)の第２の組もまた、インターロック信号ＳＥＤＩＮＴＬＫ(3
4)が高レベルにある限り、分路トリップが始動しないことを確認するために用い
られる。一組の常開接点(43)は、タイミングリレー(32)のタイマー抑制端子間に
接続され、接点(45)を開状態に維持する短絡タイマー抑制信号を供給することに
より、コンタクタ(26)が励磁されている限り、回路ブレーカ(24)の分路トリップ
活動をさせないようにすることができる。
【００２５】 機能停止が発生したとき、コンタクタ(26)のコイルは不活動状態になり、３組
の接点(40)(41)(42)が閉じて、１組の接点(43)が開く。主接点(40)は、固定抵抗
(28)を通じて電流を流すことが可能となり、１組の補助接点(41)は電圧検知リレ
ーのリード線をＤＣバスへ接続する。電圧検知リレーは作動状態になる。第２組
の補助接点(42)は繋がるが、分路トリップをトリガしない。補助接点(43)は、タ
イミングリレー(32)のタイマー抑制動作を中断させる。
【００２６】 ２４ボルトの直流信号を用いて、試験を継続して行ない、ＳＯＦＣシステムの
プログラマブル論理制御器からのＳＥＤＩＮＴＬＫ(34)信号をシミュレートした
。ここで適用された２４ボルトＤＣ電力により、コンタクタ(26)は作動する。電
力が定常状態では、コイルは非励起状態(cool)に維持される。
【００２７】 この実施例では、コンタクタ(26)は４０アンペアの装置である。除去サイクル
中、ＳＯＦＣ発電装置からの最大予想電流は２５アンペアである。２５アンペア
の電流源を用いて、電流はコンタクタ(26)及び回路ブレーカ(24)へ流れることが
できる。回路ブレーカ(24)は３極の６００ＤＣボルト、１２５アンペアの装置で
ある。ＤＣ電圧定格は３極を直列に接続することにより得られる。
【００２８】 通常運転では、タイマー(32)のコイルが励起される。コイルが励起すると開状
態になる１組の常閉タイマー接点(45)が、電圧検知リレー(23)とブレーカ(24)の
分路トリップコイルと直列に配置されている。ＳＯＦＣシステムが停止すると、
タイミングリレー(32)は数秒間接点を開状態に維持する。これは、電圧センサー
の電力と検知用リード線がＤＣバスで閉じられたとき、電圧検知リレー(23)に状
態を変える時間を与えるものである。通常の運転中では、電圧検知リレー(23)は
発電装置の端子には接続されていない。これは、通常運転中、電圧検知リレー(2
3)を通じて常に電力が引き出されるのを防ぐためである。運転停止時、コンタク
タの接点(41)は閉じて、電圧検知リレー(23)はバスに接続される。定格バス電圧
が検知されると(＞３４０ＤＣボルト)、電圧検知リレー(23)は状態を変化させる
。電圧感知リレー(23)にある常閉接点(分路トリップトリガー)は、分路トリップ
回路が閉じないように、開かなくてはならない。タイマー(32)の接点は、回路ブ
レーカ(24)の分路トリップコイルと直列に接続されており、障害信号と同時に開
いて、数秒間、接点を開状態を保つことにより、好ましくない分路トリップが作
動しないようにしている。この遅延により、電圧検知リレー(23)の接点は、ブレ
ーカを作動することなく閉状態から開状態に移動することができる。タイミング
リレー(32)がこの遅延サイクル(設定にもとづく)が完了した後、タイマーの接点
(45)は閉じる。しかし、このとき、電圧検知リレー(23)の接点は開状態である。
【００２９】 遅延時間は、適当に設定することができる。例えば、０.５−３秒、１.５−３
０秒、１５−３００秒などの遅延時間から、数時間の遅延時間の設定が可能であ
る。
【００３０】 タイミングリレー(32)には、活動状態を維持するのに、電力を連続的に供給す
る必要がある。その理由は、故障が起こったとき、リレーへの電力供給が停止さ
れないように、コイルは通常運転中、励磁状態であらねばならないからである。
電力の供給がなくなると、リレーのタイミング機能が損なわれ、接点は直ちに閉
じる。これは回路ブレーカ(24)に好ましくない分路トリップを引き起こすことに
なる。
【００３１】 タイミングリレー(32)の接点は、電力接点と検知接点を含んでいる。検知接点
は、タイミング機能をオフ状態に保持する短絡用配線を必要とする。検知接点が
短絡している限り、リレーは安定状態が維持される。短絡が取り除かれると、タ
イミング機能が開始する。例えば、検知接点から短絡回路を取り除くことにより
、タイミングリレー(32)の接点を３秒後に閉じることができる。遅延時間が選択
されるのは、電圧検知リレー(23)が状態を変換して、分路トリップが突然なくな
ることがないようにするためである。
【００３２】 上記の電力供給停止の問題を回避するために、３３００μＦのキャパシタ(35)
がタイミングリレー(32)の端子に取り付けられる。ダイオード(46)も充電回路に
配備される。このキャパシタを加えることにより、タイマー(32)はＵＰＳの供給
が停止しても、その後十分長い時間、作動し続けることができる。この時間遅延
は、インターロック信号ＳＥＤＩＮＴＬＫ(34)がドロップアウトするのに十分な
時間を作りだし、そこから、エネルギー除去装置が通常に作動する。このように
して、ＵＰＳの電力供給停止とともに、タイマー(32)のタイミング機能は確実に
実行される。タイマー(32)への電力供給を遅延させることにより、接点は開状態
に維持される。キャパシタの電荷が使用され、タイミングリレー(32)の電力供給
が停止すると、接点は停止状態へトグルする。
【００３３】 電圧検知(23)はバス電圧を感知し、電圧が設定値以下に下がると分路トリップ
ブレーカーをトリガするリレーである。この例では、電圧検知リレー(23)は直流
２４０ボルトのリレーであり、さらに３５００オームの調整可能な抵抗器が電力
接点と直列に接続されている。抵抗値はＳＯＦＣバス電圧の４００ＤＣボルトに
基づいており、試験では、センサーの最大電流０.０４６アンペアが引き出され る。検知端子もまた、４７００オーム、３５ワットの抵抗器を必要としている。
発電装置の通常運転状態では、電圧検知リレー(23)に印加される電力はなく、そ
のリレー接点は通常閉じている。障害が示されると、４極のコンタクタ(26)は、
バスの下側の電圧検知リレー(23)の下側を閉じる。電圧検知リレー(23)は、バス
電圧が閾値以上であるとみなして、直ちに状態を変化させる。
【００３４】 この例では、電圧検知リレー(23)には２つのダイアルがある。設定ダイアルが
電圧閾値を決定し、それ以上の値の電圧でセンサーは状態を変化させる。設定幅
はできれば電圧検知リレー(23)の電力定格の８５％から１０５％の間が望ましい
。ダイアルを８５％に設定することにより、センサーリレーはその最低値で作動
するかもしれない。電圧検知リレー(23)の端子ではこの電圧は約２０４ＤＣボル
トで、約３４０ＤＣボルトのバス電圧に変換する。２つ目のダイアルは解放比(r
elease ratio)である。この設定はセンサー定格の９５％から７５％までである 。このダイアルを７５％に設定することにより、センサーはその一番低い設定で
解放するよう設定される。２つのダイアルは８５％と７５％に設定され、これは
３４０ＤＣボルトか、それより大きいラッチ・イン設定となり、２５５(０.８５
、０.７５、４００)ＤＣボルトの電圧を解放する。試験から、真の解放電圧は２
４５ＤＣボルトである。この電圧は許容範囲の解放電圧であり、スタックに蓄え
られたエネルギーを除去する。
【００３５】 一旦個々の構成要素が試験されると、構成要素は互いに接続されて、適当な電
流と電圧が加えられる。２４ＤＣボルトの信号が、並列につながれた２つのトグ
ルスイッチをもった単独の電力供給部から発生する。片方のスイッチはＳＥＤＴ
Ｐ(31)とラベルされたＵＰＳ電力供給のためのものであり、もう片方のスイッチ
は、ＳＥＤＩＮＴＬＫ(34)とラベルされ、プログラム可能な論理制御からのイン
ターロック信号をシミュレートするためのものである。回路の中にトグルスイッ
チを持つことにより、ＳＥＤＴＰ(31)とＳＥＤＩＮＴＬＫ(34)信号のロスはどの
シーケンスと組合せでもシミュレートすることができる。
【００３６】 ＳＥＤＩＮＴＬＫ(34)信号がまず失われると、ＵＰＳの状態が何であるかに拘
わらず、エネルギー除去装置はエネルギー放棄を開始する。２つの制限がある。
１つは、放棄サイクルであり、例えば３０分以内に完了しなければならない。こ
の時間制限はブレーカー分路トリップコイル周辺の３３００μＦのキャパシタに
より決定される。２つ目の制約は、バス電圧は例えば３４０ＤＣボルト以上でな
ければならないということであり、さもなければ、電圧検知リレー(23)はラッチ
インしないであろう。この制約は電圧検知リレー(23)の８５％ラッチイン設定に
より決定される。
【００３７】 ＵＰＳの機能停止がまず起こると(ＳＥＤＴＰ(31)が低下すると)、タイミング
リレー(32)はその主要な電力源を失う。タイマー(32)はＳＥＤＴＰ(31)信号から
直接動かされている。タイマー(32)はこの信号から電力を得て、ＳＥＤＩＮＴＬ
Ｋ(34)信号はキャパシタを充電する必要がないということがあり得る。それとも
、ＳＥＤＩＮＴＬＫ(34)からキャパシタを充電することが可能かもしれない。構
成例では、ＳＥＤＩＮＴＬＫ信号(34)はＵＰＳが機能停止してから１２秒以内に
低下した。１２秒の時間制限は、タイマー(32)の電力接点を横切ってインストー
ルされたキャパシタによって決定される。ＵＰＳの機能停止がＳＥＤＩＮＴＬＫ
信号(34)を失うことなく起こったならば、コンタクタ(26)の電圧センサー(23)内
の接点は開いたままで、電圧検知リレー(23)はバス電圧を検知しないであろう。
万一ＵＰＳの機能停止がＳＥＤＩＮＴＬＫ信号(34)を１２秒以内に失うことなく
起こったならば、タイマー(32)の接点は閉じるだろう。そしてインターロック信
号が失われたとき、電圧検知リレー(23)はバスに接続されるが、時間内にトグル
しない。その結果、分路トリップブレーカーは直ちに作動する。もし、２４ＤＣ
ボルトのインターロック電源が充電電流を供給するのに十分であれば、タイマー
キャパシタは代わりに、例えばＳＥＤＩＮＴＬＫ信号(34)から充電されてもよい
。
【００３８】実施例２ 実施例１のエネルギー除去装置のドロップアウト電圧レベルに、変更が施され
ている。試験はドロップアウト電圧２７０ＤＣボルトの電圧センサー(23)を用い
て行われた。設定は公称電圧の９３％であり、２７０ＤＣボルトレベルに対応し
ている。
【００３９】 エネルギー除去装置の制御と電流スイッチ回路は、Ｖａｒｉａｃスタックと整
流器を電力供給用として用い、開回路と全負荷の状態で試験された。この電力供
給はＳＯＦＣ装置の３５０ＤＣボルトのバスをシミュレートするために使われた
。開回路試験により電圧検知リレー(23)の電圧レベル設定と、遅延回路のタイミ
ング作動がともに正しいことが確認された。
【００４０】 負荷テストはエネルギー除去装置として、固定抵抗を用いて行われた。すべて
のＶＤＣ制御回路のＳＥＤＩＮＴＬＫ(34)とＳＥＤＴＰ(31)はＳＯＦＣシステム
プログラム可能論理制御により制御され、実際の通常停止(ＳＴＯＰ)と安全停止
(ＳＳＴＯＰ)状態をシミュレートしていた。得られた試験データから、電圧セン
サー(23)のトリップ設定と、タイミング回路と、除去回路とが望ましい状況で作
動したことが示された。
【００４１】 負荷テストでは、電力供給電圧は３５０ＤＣボルトと設定され、公称電圧３４
１ＤＣボルトより若干高かった。すべてのエネルギー除去回路は準備状態に設定
され、制御システムは通常作動状態に設定された。コントロールパネルを通じて
通常停止(ＳＴＯＰ)命令が実行され、エネルギー除去回路が起動された。電力供
給電圧は負荷が接続された後、３５０ボルトから約３２５ボルトＤＣまで落ちた
。固定抵抗への２０.８アンペアの負荷電流が計測された。タイマーは１周期を 終え、バス電圧が２９０ＤＣボルト以上だったので、固定抵抗(28)は電流を引き
出し続けた。電力供給電圧は手動操作で下げ、約２５６ＤＣボルトで電圧検知リ
レー(23)がブレーカ(24)を作動させて、固定抵抗器(28)への回路は切り離された
。開路と全負荷での試験での計測結果は表１に示されている。
【００４２】
【表１】
【００４３】実施例３ 実施例２で説明されたエネルギー除去装置と同等のものが、天然ガスを水素含
有燃料源として作動している１００ｋＷのＳＯＦＣ装置にインストールされてい
る。ＳＯＦＣ発電システムの試験中、異なった時期に、ＳＴＯＰ条件が実行され
た。その都度、計画通り、燃料電池エネルギー除去装置が機能した。燃焼ゾーン
は過熱せず、燃料電池に対するダメージの形跡もみられなかった。
【００４４】 本発明は固体酸化物型燃料電池のセルスタックの保護をもたらす比較的簡単な
方法を提供するものである。停止状態の間、燃料電池のスタック端子を短絡させ
るために、電気抵抗を用いてもよい。この抵抗は温度上昇を制限するために適当
な抵抗と熱容量を有する様々な形をとりうる。セルスタック端子を横切って短絡
する抵抗を自動的に切り換え、燃料が消費されると抵抗を除去するために、電気
回路を用いることができる。
【００４５】 本発明の特定の幾つかの具体例が説明の目的で示されたが、技術に習熟した者
にとっては、特許請求の範囲で規定される発明から逸脱することなく、本発明の
細部について多くの変更がなされうることは明らかである。
【図面の簡単な説明】
【図１】 ＳＯＦＣ装置のスタックの概略的な平面図であって、装置内にある多数の管状
燃料電池の配置を示している。
【図２】 上側の開口端が燃料電池発電装置の燃焼ゾーンに延びる管状燃料電池単体の斜
視図である。
【図３】 本発明の実施例である燃料電池発電装置のエネルギー除去装置の概略的なダイ
ヤグラムである。
【主な符号の説明】
(10) セルスタック (12) 燃料電池 (21)(22) 主端子 (28) 抵抗器
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，Ｉ Ｔ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＧＷ，ＭＬ， ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＧＭ，Ｋ Ｅ，ＬＳ，ＭＷ，ＳＤ，ＳＺ，ＵＧ，ＺＷ)，ＥＡ(ＡＭ ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ) ，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ， ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，Ｄ Ｋ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＤ，ＧＥ，ＧＨ，ＧＭ ，ＨＲ，ＨＵ，ＩＤ，ＩＬ，ＩＮ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ， ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ，Ｌ Ｔ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ， ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＬ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，Ｕ Ａ，ＵＧ，ＵＺ，ＶＮ，ＹＵ，ＺＷ (72)発明者 ゴードン，ジョン トマス アメリカ合衆国 15003 ペンシルベニア， アンブリッジ，トゥエルフス ストリート 198 (72)発明者 ショックリング，ラリー アンソニー アメリカ合衆国 15239 ペンシルベニア， ピッツバーグ，ティートン ドライブ 116 Ｆターム(参考） 5H026 AA06 CV02 CX06 HH08 5H027 AA06 KK54 MM26

Claims (14)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 燃料電池発電装置であって、 水素含有燃料と酸素含有ガスを電気的エネルギーに変換する手段と、 発電装置が停止した後、発電装置からの電流を引き出すことにより、発電装置
    内に残存する水素含有燃料の少なくとも一部を消費させるようにしている、装置
    。
  2. 【請求項２】 水素含有燃料と酸素含有ガスを電気エネルギーに変換する手
    段は、酸素含有ガスに接触する内部空気極を有する複数の管状固体酸化物燃料電
    池と、水素含有燃料と接触する外側燃料極と、酸素含有ガス及び水素含有燃料と
    流体接触する燃料ゾーンへ延びる開口端を具えている請求項１の燃料電池発電装
    置。
  3. 【請求項３】 発電装置は、水素含有燃料及び酸素含有ガスと流体接触する
    燃焼ゾーンを具えており、発電装置から電流を引き出す手段は、発電装置が停止
    した後、燃焼ゾーン内における熱の蓄積を実質的に防止する、請求項１の燃料電
    池発電装置。
  4. 【請求項４】 燃焼ゾーン内の運転温度は約８５０乃至約１０００℃であり
    、燃焼ゾーンは、発電装置が停止した後、上昇する温度は約３０℃以下である請
    求項３の燃料電池発電装置。
  5. 【請求項５】 発電装置から電流を引き出す手段は、電気抵抗器を少なくと
    も１つ具えている請求項１の燃料電池発電装置。
  6. 【請求項６】 少なくとも１つの電気抵抗器は流体によって冷却される請求
    項５の燃料電池発電装置。
  7. 【請求項７】 発電装置から電流を引き出す手段は、受動スイッチング回路
    である請求項１の燃料電池発電装置。
  8. 【請求項８】 燃料電池発電装置に用いられるエネルギー除去装置であって
    、 少なくとも１つの抵抗器と、 発電装置が停止したとき、少なくとも１つの抵抗器を、燃料電池発電装置の陽
    極端子と陰極端子との間で接続する手段とを具えている、エネルギー除去装置。
  9. 【請求項９】 少なくとも１つの抵抗器は流体によって冷却される請求項８
    のエネルギー除去装置。
  10. 【請求項１０】 少なくとも１つの抵抗器を、燃料電池発電装置の端子間で
    接続する手段は、受動スイッチング回路を具えている請求項８のエネルギー除去
    装置。
  11. 【請求項１１】 発電装置内に残存する燃料の少なくとも一部が消費された
    後、少なくとも１つの抵抗器と、燃料電池発電端子との接続を遮断する手段をさ
    らに具えている請求項８のエネルギー除去装置。
  12. 【請求項１２】 少なくとも１つの抵抗器の接続を遮断する手段は、燃料電
    池発電装置の端子間の電圧レベルの低下を検知する手段と、 電圧レベルの低下が検出された後、少なくとも１つの抵抗器の接続を遮断する
    手段を具えている請求項１１のエネルギー除去装置。
  13. 【請求項１３】 燃料電池発電装置の停止中、エネルギーを除去する方法で
    あって、 水素含有燃料と酸素含有ガスを、燃料電池発電装置内で電気エネルギーに変換
    し、 発電装置が停止した後、燃料電池発電装置から電流を引き出すことにより、発
    電装置内に残存する水素含有燃料の少なくとも一部を消費させるようにしている
    、方法。
  14. 【請求項１４】 燃料電池発電装置を停止する方法であって、発電装置内に
    残存する燃料を酸化生成物へ電気化学的に変換することにより、発電装置の過熱
    を実質的に防ぐことができるようにしている、方法。
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