JP2004227876A

JP2004227876A - 燃料電池システムの制御装置

Info

Publication number: JP2004227876A
Application number: JP2003013051A
Authority: JP
Inventors: Akihito Otani; 昭仁大谷; Shinji Miyauchi; 伸二宮内
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2003-01-22
Filing date: 2003-01-22
Publication date: 2004-08-12

Abstract

【課題】制御器は直流電流値が上限値を超えた場合は交流発電電力量を一定の下限電力値まで、しかも段階的に低下させることにより、エネルギーのむだをなくし、燃料電池への負担を軽減させ、長寿命運転を可能にする。
【解決手段】燃料電池の出力電圧低下に伴い、出力電流が増加し、上限値を超えた場合、交流発電電力量を段階的に下限電力値まで低下させて、エネルギーのむだをなくし、燃料電池の耐久性、寿命への悪影響を及ぼすことを防止する。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池を用いて発電を行う燃料電池システムの制御装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
以下に従来の燃料電池システムについて説明する。
【０００３】
図８に示すように、従来この種の燃料電池システムの制御装置は、天然ガスやメタノールなどの原料燃料および水蒸気改質反応に必要な原料水から水素に富んだガスを生成する水素生成器１と、酸化剤ガスとしての空気を供給するためのブロアファンで構成される送風器２と、供給空気を加湿する空気加湿器３と、水素生成器１で得られた生成ガスと送風器２からの酸化剤ガスとを反応させて発電する燃料電池４と、燃料電池４にて発電された直流電力を交流２００Ｖに変換する直流交流変換器５と、水素生成器１で得られた生成ガス、送風器２からの酸化剤ガスおよび燃料電池４から、それぞれの熱を回収し給湯する貯湯タンク６と、起動から発電までの一連の動作を制御する制御器７と、燃料電池４より発生する直流電力の直流電流値を検知する直流電流検知手段８とで構成されている。ここで燃料電池４の異常や寿命時に能力低下を起こして出力電圧が低下した場合、出力電力を維持するために出力電流が増加した場合、つまり直流電流検知手段８は、燃料電池４で発生する直流電力の直流電流値が上限値を超えたことを検知した場合、制御器７は直流交流変換器５にて発生させる交流電力を一気に停止させていた。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら上記の従来の構成では、直流交流変換器にて発生させる交流電力を一気に停止させているので、燃料電池での出力電力を消費されないまま、あるいは燃料電池に送られてきた水素を完全に消費しないまま停止されることになり、燃料電池の寿命に悪影響を及ぼすことになり、さらにエネルギーをむだにすることになるという問題を有していた。
【０００５】
本発明は、上記従来の課題を解決するもので、燃料電池の出力電圧が低下した場合、すなわち出力電流が増加した場合、燃料電池の電力を徐々に放電させ、完全に放電させてから停止させるなど、次の工程へ移行することにより、燃料電池へ負担をかけずに長寿命運転を確保することを目的としている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記目的を達成するために、燃料電池の出力電流が増加し、上限値を超えた場合、直流交流変換器にて発生させる交流電力量を一定の下限電力値まで、しかも段階的に低下させるものである。
【０００７】
これにより燃料電池への耐久性、寿命に悪影響を及ぼすことを防止し、エネルギーのむだを削減することができる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
本発明の請求項１に記載の発明は、炭化水素系原料燃料と水から水素に富んだガスを生成する水素生成器と、水素生成器で得られた生成ガスと酸化剤ガスとを反応させて発電を行う燃料電池と、起動から発電までの一連の動作を制御する制御器と、燃料電池より発生する直流電力の直流電流値を検知する直流電流検知手段と、燃料電池より発生する直流電力を交流電力に変換する直流交流変換器とを備え、直流電流検知手段において燃料電池より発生する直流電力の直流電流値が上限値を超えた場合、制御器は直流交流変換器にて発生させる交流電力を段階的に一定の下限電力値まで低下させる構成としたものであり、燃料電池で発生した電力を徐々に放電させ、燃料電池での水素を完全に消費させることができ、エネルギーをむだにすることなく、燃料電池の過放電をなくし、燃料電池の寿命への悪影響を防止することができる。
【０００９】
請求項２に記載の発明は、特に請求項１に記載の制御器を、直流交流変換器にて発生させる交流電力を一定の下限電力値まで低下中あるいは下限電力値において、直流電流検知手段で検知する直流電流値が正常値に戻れば元の電力値まで上昇させる構成としたものであり、燃料電池での電圧低下が一時的なもので、元の電圧に回復した場合などは、燃料電池での水素を消費させ、エネルギーをむだにせず、すばやく元の発電状態へ移行することができるようになる。
【００１０】
請求項３に記載の発明は、特に請求項１に記載の制御器を、直流交流変換器にて発生させる交流電力の下限電力値を変えて制御する構成としたものであり、燃料電池での直流電流値が元に戻らなければ、直流交流変換器での発電量をさらに下げていくことにより、燃料電池での発電における負担を軽減できる。また燃料電池での発電状況や特性に応じて、直流交流変換器での下限発電量を変えることが可能となる。
【００１１】
請求項４に記載の発明は、特に請求項１に記載の制御器を、直流交流変換器にて発生させる交流電力の下限電力値まで低下させる速度を変えて制御する構成としたものであり、発電量を低下中に燃料電池での直流電流値が元に戻りつつあるならば、発電の低下速度をゆるめることや、さらにその逆の直流電流値がさらに上昇している場合は発電の低下速度を速めることが可能となり、燃料電池への負担を軽減できる。また何度も直流電流値が上限値を超えた場合は、その都度低下速度を速めることにより対応することができる。さらに燃料電池での発電状況や特性に応じて発電低下の速度を変えることが可能となり、耐久性や寿命の改善につながることになる。
【００１２】
請求項５に記載の発明は、特に請求項２又は４に記載の制御器を、直流交流変換器にて発生させる交流電力の下限電力値まで通常よりはやく低下させた場合でも、直流電流検知手段で検知する直流電流値が正常値に戻れば通常の速度で元の電力値まで上昇させる構成としたものであり、緊急時の低下速度ではなく、通常の上昇速度で元の電力値まで上昇させる。つまりゆっくりと発電電力を上昇させることは燃料電池にとっては極めてやさしく、耐久性の向上につながるものである。
【００１３】
請求項６に記載の発明は、特に請求項１に記載の制御器を、直流交流変換器にて発生させる交流電力を下限電力値にて制御中に、直流電流検知手段で検知する直流電流値が一定時間正常値に戻らなければ発電を停止する構成としたものであり、一定時間下限電力値で制御していても、燃料電池の出力が回復しなければ、一時的なものでなく故障と判断して発電を停止することにより、燃料電池自体のメンテナンスを少しでも容易にすることができるようになる。
【００１４】
請求項７に記載の発明は、請求項１〜６に記載の制御器を、直流交流変換器にて発生させる交流電力を下限電力値および下限電力値と元の電力値との間において制御中に、他の異常が発生した場合は、その異常を優先して発電を即停止する構成としたものであり、より緊急性の高い理由により他の異常が検出された場合は、優先して燃料電池システム全体を停止することにより、安全性を高め、緊急時への対応も迅速にできる。
【００１５】
請求項８に記載の発明は、請求項６又は７に記載の制御器を、異常を検知して発電を停止した場合には異常報知する構成としたものであり、異常内容を報知することにより使用者にいち早く異常発生を知らせることができ、ガス会社およびメーカーのサービス担当者へのその後の対応も迅速に行うことができる。
【００１６】
【実施例】
以下、本発明の実施例について図面を参照しながら説明する。
図１において、図８で示した従来の燃料電池システムの制御装置と同じ機能を有するものについては同一符号を付与しており、これらの機能の詳細は図８に順ずるものとする。
【００１７】
（実施例１）
図１は本発明の実施例１の燃料電池システムの制御装置の構成図である。交流発電電力の下限電力値設定手段９は、制御器７により自由に設定可能な下限電力値で、直流電流検知手段８において、燃料電池４より発生する直流電力の直流電流値が上限値を超えたと検知された場合、制御器７の制御により直流交流変換器５にて発生される交流電力を、ここで設定された下限電力値まで低下させる。発電電力の下降及び上昇速度設定手段１０は、前述のとおり直流電流値が上限値を超えた場合に、下限電力値まで低下させる速度を自由に設定可能であり、また下限電力値から元の電力値まで上昇させる速度も自由に設定可能である。
【００１８】
以上の構成において、直流電流検知手段８において、燃料電池４より発生する直流電力の直流電流値が上限値（例えば直流交流変換器５にて発生される交流電力が１２００Ｗ時では、ＤＣ３５Ａと設定）を超えたと検知された場合、制御器７の制御により直流交流変換器５にて発生される交流電力を、交流発電電力の下限電力値設定手段９によって設定された値（ここでは、３３０Ｗで設定）まで低下させる。低下速度は毎秒３００Ｗ程度である。
【００１９】
ここで図２の動作を示すフローチャートを使って説明する。制御器７は、燃料電池システムを起動し（Ｓ１０）、水素生成器１において都市ガスから水素を生成する（Ｓ１１）。燃料電池４において発電出力するための各部の温度や水素濃度等の条件に達すれば（Ｓ１２）、制御器７は交流直流変換器５に発電電力量の指令を出力する（Ｓ１３）。直流電流検知手段８において、燃料電池４より発生する直流電力の直流電流値が前述した上限値を超えたと検知された場合（Ｓ１４）、制御器７の制御により直流交流変換器５にて発生される交流発電電力値を、交流発電電力の下限電力値設定手段９によって設定された前述した下限電力値まで低下したと判断される（Ｓ１６）まで低下させる（Ｓ１５）。低下速度は前述のとおりである。
【００２０】
つまり、燃料電池４の何らかの異常や寿命時に、能力低下を起こして出力電圧が低下した場合、出力電力を維持するために出力電流が増加するが、その直流電流値が上限値を超えた場合、直流交流変換器５にて発生させる交流電力を一気にゼロまで落とさずに、一定の設定された電力値まで、しかも段階的に低下させることにより、燃料電池４の電力を徐々に放電させ、水素を完全に消費させてから次の工程へ移行させることにより、エネルギーをむだにすることなく、燃料電池への負担を軽減させ、長寿命運転を確保するようにしている。
また制御器７は、直流交流変換器５にて発生させる交流電力を一定の下限電力値まで低下中あるいは下限電力値にて、直流電流検知手段８で検知する直流電流値が正常値に戻れば再び元の電力値まで上昇させる構成としており、図３のフローチャートに示すように、直流電流検知手段８において、燃料電池４より発生する直流電力の直流電流値が上限値を超えたと検知された場合（Ｓ２０）、制御器７の制御により直流交流変換器５にて発生される交流発電電力値を、交流発電電力の下限電力値設定手段９によって設定された下限電力値まで低下したと判断される（Ｓ２３）まで低下させる（Ｓ２１）。ここで発電低下中に直流電流値が元の正常値に復帰したと判断された場合（Ｓ２２）または下限電力値において同様に直流電流値が元の正常値に復帰したと判断された場合（Ｓ２４）は、発電電力値を上昇させる（Ｓ２５）。
【００２１】
つまり、燃料電池４での電圧低下が一時的なもので、元の電圧に回復した場合などは、燃料電池４での水素を消費させ、エネルギーをむだにせず、すばやく元の発電状態へ移行することができるようになる。
また制御器７は、直流交流変換器５にて発生させる交流電力の下限電力値を変えて制御する構成としており、図４のフローチャートに示すように、当初の下限電力値（ここでは３３０Ｗに設定）に達している場合に（Ｓ３０）、直流電流検知手段８で検知する直流電流値が依然下限電力値での上限値を超えている場合（Ｓ３１）（ここでは下限電力値３３０Ｗにおける上限電流値は１５Ａ程度に設定）、さらに交流発電電力の下限電力値設定手段９により、下限電力設定値を低下させる（Ｓ３２）。ここでは１回の設定で例えば１０Ｗ単位ずつ低下させる。そして制御器７の制御により直流交流変換器５にて発生される交流発電電力値を、下限電力値設定手段９によって再設定された下限電力値に達する（Ｓ３４）まで低下させる（Ｓ３３）。
【００２２】
つまり、燃料電池４での直流電流値が元に戻らなければ、直流交流変換器５での発電量をさらに下げていくことにより、燃料電池４での発電における負担を軽減できる。また燃料電池４での発電状況や特性に応じて、直流交流変換器５での下限発電量を変えることが可能となる。
【００２３】
また制御器７は、直流交流変換器５にて発生させる交流電力の下限電力値まで低下させる速度を変えて制御する構成としており、図５のフローチャートに示すように、直流電流検知手段８において、燃料電池４より発生する直流電力の直流電流値が上限値を超えたと検知された場合（Ｓ４０）、制御器７の制御により直流交流変換器５にて発生される交流発電電力値を低下させる（Ｓ４１）。次に直流電流値が正常値に復帰しつつあると判断された場合（Ｓ４２）は、下限電力値まで、発電電力の下降及び上昇速度設定手段１０の設定により交流発電電力値の低下速度をゆるめて低下させる（ここでは当初毎秒３００Ｗ程度であるが、例えば毎秒１０Ｗ程度ずつ速度をゆるめる）。また直流電流値が増加傾向にあると判断された場合（Ｓ４２）は、発電電力の下降及び上昇速度設定手段１０の設定により交流発電電力値の低下速度を上げる（ここでは例えば毎秒１０Ｗ程度ずつ速度を速めるものとする）。
【００２４】
さらに図６のフローチャートに示すように、直流電流検知手段８において、燃料電池４より発生する直流電力の直流電流値が上限値を超えたと検知された場合（Ｓ５０）、制御器７の制御により直流交流変換器５にて発生される交流発電電力値を低下させる（Ｓ５１）。次に直流電流値の上限値超過が２回以上の場合は（Ｓ５２）、下限電力値に達するまで（Ｓ５４）、発電電力の下降及び上昇速度設定手段１０の設定により交流発電電力値の低下速度を上げる（Ｓ５３）（ここでも例えば毎秒１０Ｗ程度ずつ速度を上げるものとする）。
【００２５】
つまり、発電量を低下中に燃料電池４での直流電流値が正常に戻りつつあるならば、発電の低下速度をゆるめることや、さらにその逆の直流電流値がさらに上昇している場合は発電の低下速度をはやめることが可能となり、燃料電池４への負担を軽減できる。また何度も直流電流値が上限値を超えた場合は、その都度発電電力量の低下速度をはやめることにより対応することができる。さらに燃料電池４での発電状況や特性に応じて発電電力量の低下速度を変えることが可能となり、燃料電池４の耐久性や寿命の改善につながることになる。
【００２６】
また制御器７は、直流交流変換器５にて発生させる交流電力の下限電力値まで通常よりはやく低下させた場合でも、直流電流検知手段８で検知する直流電流値が正常値に戻れば当初の通常速度で元の電力値まで上昇させる構成としており、図７のフローチャートに示すように、直流電流検知手段８において、燃料電池４より発生する直流電力の直流電流値が上限値を超えたと検知された場合（Ｓ６０）、直流電流値の上限値超過が２回以上の場合は（Ｓ６１）、発電電力の下降及び上昇速度設定手段１０の設定により交流発電電力値の低下速度を、下限電力値まで低下したと判断される（Ｓ６４）まで上げる（Ｓ６２）。ここで発電電力低下中に、直流電流値が元の正常値に復帰したと判断した場合（Ｓ６３）、または下限電力値において同様に直流電流値が元の正常値に復帰したと判断された場合（Ｓ６５）は、発電電力の下降及び上昇速度設定手段１０の設定により交流発電電力値の低下速度を通常速度に設定して、元の電力値まで上昇させる（Ｓ６６）。
【００２７】
つまり、緊急時の低下速度ではなく、元の電力値まで上昇させる場合は通常の上昇速度でゆっくりと発電電力を上昇させることにより、燃料電池４にとっては極めてやさしく、耐久性の向上につながるものである。
【００２８】
また制御器７は、直流交流変換器５にて発生させる交流電力を下限電力値にて制御中に、直流電流検知手段８で検知する直流電流値が一定時間正常値に戻らなければ発電を停止する構成としており、図２〜図７のフローチャートには記載していないが、制御器７は、下限電力値にて制御中、一定時間（ここでの一定時間は、燃料電池４の特性や燃料電池システムの設置場所の環境や負荷電力消費パターン等により自由に設定可能である）経過後も、正常値に戻らない場合は発電を停止する。
【００２９】
つまり、一定時間下限電力値で制御していても、燃料電池４の出力が回復しなければ、一時的なもの電圧低下でなく故障と判断して発電を停止することにより、燃料電池自体のメンテナンスを少しでも容易にすることができるようになる。
【００３０】
また制御器７は、直流交流変換器５にて発生させる交流電力を下限電力値および下限電力値と元の電力値との間にて制御中に、他の異常が発生した場合は、その異常を優先して発電を即停止する構成としており、図２〜図７のフローチャートには記載していないが、制御器７は、下限電力値あるいは下限電力値と元の電力値との間で制御中に、他の異常（例えば、燃料電池本体および補機類の異常、あるいは直流交流変換器５での異常等）が発生した場合、優先して発電を停止するものとする。
【００３１】
つまり、より緊急性の高い理由により他の異常が検出された場合は、優先して燃料電池システム全体を停止することにより、安全性を高め、緊急時への対応も迅速にできる。
【００３２】
また、制御器７は、異常を検知して発電を停止した場合には異常報知する構成としており、前述した異常が発生した場合は、制御器７により、表示器（ここでは表記せず）にて異常内容を表示、報知することにより、使用者にいち早く異常発生を知らせることができ、ガス会社およびメーカーのサービス担当者へのその後の対応も迅速に行うことができるものである。
【００３３】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、燃料電池の何らかの異常や寿命時に、能力低下を起こして出力電圧が低下した場合、出力電力を維持するために出力電流が増加するが、その直流電流値が上限値を超えた場合は交流発電電力を一気にゼロまで落とさずに、一定の設定された下限電力値まで、しかも段階的に低下させることにより、燃料電池の電力を徐々に放電させ、水素を完全に消費させて、エネルギーをむだにすることなく、燃料電池への負担を軽減させ、長寿命運転を確保することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例１における燃料電池システムの制御装置の構成図
【図２】本発明の実施例１における動作を示すフローチャート
【図３】本発明の実施例１における他の動作を示すフローチャート
【図４】本発明の実施例１における他の動作を示すフローチャート
【図５】本発明の実施例１における他の動作を示すフローチャート
【図６】本発明の実施例１における他の動作を示すフローチャート
【図７】本発明の実施例１における他の動作を示すフローチャート
【図８】従来の燃料電池システムの制御装置の構成図
【符号の説明】
１水素生成器
４燃料電池
５直流交流変換器
７制御器
８直流電流検知手段

Claims

炭化水素系原料燃料と水から水素に富んだガスを生成する水素生成器と、水素生成器で得られた生成ガスと酸化剤ガスとを反応させて発電を行う燃料電池と、起動から発電までの一連の動作を制御する制御器と、燃料電池より発生する直流電力の直流電流値を検知する直流電流検知手段と、燃料電池より発生する直流電力を交流電力に変換する直流交流変換器とを備え、直流電流検知手段において燃料電池より発生する直流電力の直流電流値が上限値を超えた場合、制御器は直流交流変換器にて発生させる交流電力を段階的に一定の下限電力値まで低下させることを特徴とする燃料電池システムの制御装置。
制御器は、直流交流変換器にて発生させる交流電力を一定の下限電力値まで低下中あるいは下限電力値において、直流電流検知手段で検知する直流電流値が正常値に戻れば元の電力値まで上昇させることを特徴とする請求項１記載の燃料電池システムの制御装置。
制御器は、直流交流変換器にて発生させる交流電力の下限電力値を変えて制御することを特徴とする請求項１記載の燃料電池システムの制御装置。
制御器は、直流交流変換器にて発生させる交流電力の下限電力値まで低下させる速度を変えて制御することを特徴とする請求項１記載の燃料電池システムの制御装置。
制御器は、直流交流変換器にて発生させる交流電力の下限電力値まで通常よりはやく低下させた場合において、直流電流検知手段で検知する直流電流値が正常値に戻れば通常の速度で元の電力値まで上昇させることを特徴とする請求項２又は４記載の燃料電池システムの制御装置。
制御器は、直流交流変換器にて発生させる交流電力を下限電力値にて制御中に、直流電流検知手段で検知する直流電流値が一定時間正常値に戻らなければ発電を停止することを特徴とする請求項１記載の燃料電池システムの制御装置。
制御器は、直流交流変換器にて発生させる交流電力を下限電力値および下限電力値と元の電力値との間において制御中に、他の異常が発生した場合は、その異常を優先して発電を即停止することを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の燃料電池システムの制御装置。
制御器は、異常を検知して発電を停止した場合には異常報知することを特徴とする請求項６又は７記載の燃料電池システムの制御装置。