JP2005044687A5 - - Google Patents

Description

燃料電池システム

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に関するものである。

以下に従来の燃料電池システムについて説明する。

図６に示すように、従来この種の燃料電池システムは、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とで構成されている。ここで制御器７は運転開始後、水素生成器１での各部温度および燃料電池４の入口および出口温度等がある温度範囲内に安定して到達すれば、制御器７は発電条件が成立したと判断して、燃料電池４の出力は直流交流変換器５に接続し、発電を開始していた。

しかしながら上記の従来の構成では、制御器は発電成立条件として、各部の温度のみで判定しており、直接燃料電池４での電圧を測定したものではなかったので、例えば送風機２が何らかの異常により酸化剤ガスは供給されていなければ、実際燃料電池４では発電されていないのに、発電条件が成立したと判断されてしまうという問題を有していた。

本発明は、上記従来の課題を解決するもので、直接燃料電池４での電圧を検出して発電開始することを目的としている。

本発明は上記目的を達成するために、直流電圧検出手段を設けて、直接燃料電池において発電している電圧を検出するものである。

これにより、発電成立条件として、水素生成器１での温度や燃料電池４での温度の値により間接的でしか判断できなかったものを、また温度安定条件が成立しても送風機２の異常により酸化剤ガスが供給されていない場合など実際は発電しているとは限らなかったものを、直接的に燃料電池４での電圧を検出することにより、確実に発電状態に移行することができるようになる。

以上のように本発明によれば、発電開始時、直流電圧検出手段により前記燃料電池で発生する直流電圧を検出し、その検出電圧が所定電圧以上の場合には、前記直流交流変換器において交流電圧を出力することにより、間違いなく確実に発電開始時期を把握することができる。

本発明の請求項１に記載の発明は、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を交流電力に変換する直流交流変換器と、燃料電池で発生する直流電力の電圧を検出する直流電圧検出手段とを備え、前記制御器は発電開始時、前記直流電圧検出手段により前記燃料電池で発生する直流電圧を検出し、その検出電圧が所定電圧以上の場合には、前記直流交流変換器において交流電圧を出力する燃料電池システムとしたものであり、燃料電池から直接、燃料電池で発生する直流電圧を検出することにより、間違いなく確実に発電開始時期を把握することができる。

請求項２に記載の発明は、請求項１記載の発明において、直流電圧検出手段は、燃料電池を構成する少なくとも１セル単位の電圧を検出する構成としたものであり、燃料電池の最小単位であるセル毎の電圧を検出することにより、ある程度のセル間での電圧ばらつきをもつセル毎の性能および発電状況を詳細に把握することができる。

請求項３に記載の発明は、請求項１記載の発明において、制御器は、発電移行後、直流電圧検出手段による検出電圧が所定値以下であれば、異常報知する構成としたものであり、燃料電池が発電していないことを燃料電池において直接検出して、報知することにより、その原因究明を容易にしかも、迅速に行うことができる。

請求項４に記載の発明は、請求項２記載の発明において、表示手段を備え、制御器は、発電移行後、直流電圧検出手段による１セル単位での電圧が所定値以下あるいは所定値以上であれば、表示手段にて、そのセル番号および検出電圧を表示する構成としたものであり、燃料電池の１セル単位での電圧を検出し、異常発電状態かどうかを把握することにより、１セル単位毎の燃料電池の劣化状況を正確に知ることができ、さらに高分子膜、カーボン粒子や触媒等の材料の劣化状況を推測することにより、燃料電池の寿命予測が可能となる。

請求項５に記載の発明は、請求項２記載の発明において、表示手段を備え、制御器は、発電移行後、直流電圧検出手段による隣接セル間での電位差が所定値以上であれば、表示手段にて、そのセル番号および検出電圧と、隣接セル間の電位差を表示する構成としたものであり、燃料電池の隣接するセル間の電位差が所定値異常になれば、電流が流れにくい状態になるなど、電極間の高分子膜の劣化の加速を招く原因にもなり得るので、その状況を事前に把握することができ、事前に燃料電池の寿命向上対策が可能となる。

請求項６に記載の発明は、請求項２記載の発明において、制御器は、発電停止後、直流電圧検出手段による１セル単位での電圧が０Ｖ以下つまりマイナス電圧に下降した場合、最低電力で発電を再開継続する構成としたものであり、燃料電池の１セル単位での電圧が停止後マイナス電位となれば、電流が流れにくい状態になったり、電極間の高分子膜の劣化を加速させるなどの悪影響を及ぼすことになるので、発電を継続、維持して劣化を防止する。ここで発電量は最低電力とし電力の無駄を最小限度にとどめるものとする。

請求項７に記載の発明は、請求項６記載の発明において、記憶手段を備え、制御器は、発電停止後、直流電圧検出手段による１セル単位での電圧が０Ｖ以下つまりマイナス電圧に下降した場合があれば、記憶手段で記憶し、その回数が規定回数以上になった場合は異常報知する構成としたものであり、燃料電池の１セル単位での電圧が、停止後、一定回数以上マイナス電位になった場合は、電極間の高分子膜等の劣化が進行していると判断して、異常報知し、燃料電池自体の点検、さらには交換時期を知らせるものである。

請求項８に記載の発明は、請求項４又は５記載の発明において、記憶手段を備え、制御器は、発電移行後、直流電圧検出手段による１セル単位での電圧が所定値以下あるいは所定値以上、さらに隣接セル間での電位差が所定値以上であれば、記憶手段で記憶し、その回数が規定回数以上になった場合は異常報知する構成としたものであり、燃料電池の１セル単位での電圧および隣接セル間での電圧が異常状態を継続するようであれば、電極間の高分子膜等の劣化が進行していると判断して、異常報知し、燃料電池自体の点検、さらには交換時期を知らせるものである。

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６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６に準ずるものとする。

（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構成図である。直流電圧検出手段８は燃料電池４で発生する直流電圧を検出するものである。制御器７は発電開始時、直流電圧検出手段８により燃料電池４から直接、燃料電池４で発生する直流電圧を検出して、発電制御に利用する構成としている。発電開始時の発電成立条件として直接燃料電池４の正極と負極間での直流電圧が、例えばＤＣ４５Ｖ以上となった場合に、直流交流変換器５と接続して、交流ＡＣ２００Ｖを発電する。

ここで、図２のフローチャートを使って説明する。ステップ１で天然ガスなどの原料燃料を供給し、ステップ２で点火して燃焼をスタートさせる。ステップ３で水素生成器１で水素に富んだガスを生成する。そしてステップ４では水素生成器１の各部での温度によりＣＯ濃度を予測し、ＣＯ濃度が２０ｐｐｍ以下であれば、ステップ５において燃料電池４へ水素に富んだガスを供給する。またステップ６において燃料電池４へは送風器２により加湿した空気も供給される。これにより燃料電池４では水素と酸素の反応により発電が開始するので、ステップ７において直流電圧検出手段８により直流電圧を検出する。そしてステップ８において直流電圧が例えば４５Ｖ以上であれば、ステップ９において燃料電池４の出力を直流交流変換器５に接続し、ステップ１０において直流交流変換器５において直流電圧を交流電圧に変換して出力するというものである。

このように、発電条件として燃料電池から直接、燃料電池で発生する直流電圧を検出することにより、間違いなく確実に発電開始時期を把握することができる。

また、直流電圧検出手段８は、燃料電池４を構成する少なくとも１セル単位の電圧を検出する構成としており、図３に示すように、１セル単位の正極と負極間を直接検出するものである。これは燃料電池４において１セルのみ検出してもよいし、全部で６６セルで構成されていれば６６セルそれぞれにおいて番号を付与し、電圧を検出してもよい。

そのことにより、ある程度のセル間での電圧ばらつきをもつセル毎の性能および発電状況を詳細に把握することができる。

また、制御器７は、発電移行後、直流電圧検出手段８による検出電圧が所定値以下であれば、異常報知する構成としており、燃料電池４において実際にＤＣ３０Ｖ以下であれば、燃料極での反応に必要な水素の量が低下していることが考えられ、水素生成器１での水素転換率の低下等、水素生成器１の異常によるものであったり、ＤＣ０Ｖに近い電圧の場合であれば、空気極に送り込まれてくるはずの酸素が送られていない等、送風器２が停止している等の異常が考えられる。

このように、燃料電池４での電圧を燃料電池４において直接検出し、異常報知することにより、その原因究明を容易にしかも迅速に行うことができる。

また、図４に示すように、表示手段９を備え、制御器７は、発電移行後、直流電圧検出手段８による１セル単位での電圧が所定値以下あるいは所定値以上であれば、表示手段９にて、そのセル番号および検出電圧を表示する構成としており、図４において表示手段９においてセル番号および検出電圧をするものである。直流電圧検出手段８により１セル単位での電圧が、例えば通常が７５０ｍＶであるとした場合、１０００ｍＶ以上に上昇していたり、あるいは２００ｍＶ以下に低下していた場合には、実際に発生しているセル番号およびその検出電圧を表示手段９において表示することにより、１セル単位毎の発電状況が明らかとなり、劣化の進行度合を正確に知ることができ、さらに高分子膜、カーボン粒子や触媒等の材料の劣化状況を推測することにより、燃料電池４の寿命予測が可能となる。

また、表示手段９を備え、制御器７は、発電移行後、直流電圧検出手段８による隣接セル間での電位差が所定値以上であれば、表示手段９にて、そのセル番号および検出電圧と、隣接セル間の電位差を表示する構成としており、隣接セル間での電位差が、例えば５００ｍＶ以上となれば、セル間での電流分布が一定でなくなり、電流が流れにくい状態になるなど、電極間の高分子膜等の劣化を加速させる要因となり得るので、その状況を表示手段９により事前に把握することができ、燃料電池の寿命向上対策が可能となる。

また、制御器７は、発電停止後、直流電圧検出手段８による１セル単位での電圧が０Ｖ以下つまりマイナス電圧に下降した場合、最低電力で発電を継続する構成としており、発電停止後、１セル単位での電圧がマイナス電圧に下降すれば、電極間の高分子膜等の劣化を加速させる等、悪影響を及ぼすことになるので、発電を再開、維持して劣化を防止するものである。ここで維持する発電量は制御可能な最低限度とし、電力の無駄を最小限度にとどめるものとする。

また、図５に示すように、記憶手段１０を備え、制御器７は、発電停止後、直流電圧検出手段８による１セル単位での電圧が０Ｖ以下つまりマイナス電圧に下降した場合があれば、記憶手段１０で記憶し、その回数が規定回数以上になった場合は異常報知する構成としており、記憶手段１０は発電停止後の１セル単位での検出電圧がマイナス電位に下降した回数を記憶する。発電停止後、１セル単位での検出電圧がマイナス電位に下降するのが繰り返されれば、電極間の高分子膜等の劣化が進行していると考えられるので、異常報知することにより、燃料電池自体の点検時期を知らせ、さらに交換をも促すものである。

また、記憶手段１０を備え、制御器７は、発電移行後、直流電圧検出手段８による１セル単位での電圧が所定値以下あるいは所定値以上、さらに隣接セル間での電位差が所定値以上であれば、記憶手段１０で記憶し、その回数が規定回数以上になった場合は異常報知する構成としており、１セル単位での電圧が、例えば２００ｍＶ以下に下降していたり、あるいは１０００ｍＶ以上に上昇していたり、隣接するセル間での電位差が、例えば５００ｍＶ以上である状態が繰り返されれば、電極間の高分子膜等の劣化が進行していると考えられるので、異常報知することにより、燃料電池自体の点検時期を知らせ、さらに交換をも促すものである。

本発明の実施例１における燃料電池システムの構成図 同装置の動作を示すフローチャート 同装置の燃料電池での電圧検出を示す構成図 同装置の構成図 同装置の構成図 従来の燃料電池システムの構成図

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 直流電圧検出手段
９ 表示手段
１０ 記憶手段

Claims (8)

1. 水素生成器と、前記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、前記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、前記燃料電池で発生する直流電力の電圧を検出する直流電圧検出手段とを備え、前記制御器は発電開始時、前記直流電圧検出手段により前記燃料電池で発生する直流電圧を検出し、その検出電圧が所定電圧以上の場合には、前記直流交流変換器において交流電圧を出力する燃料電池システム。
2. 直流電圧検出手段は、燃料電池を構成する少なくとも１セル単位の電圧を検出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。
3. 制御器は、発電移行後、直流電圧検出手段による検出電圧が所定値以下であれば、異常報知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。
4. 表示手段を備え、制御器は、発電移行後、直流電圧検出手段による１セル単位での電圧が所定値以下あるいは所定値以上であれば、前記表示手段にて、そのセル番号および検出電圧を表示することを特徴とする請求項２記載の燃料電池システム。
5. 表示手段を備え、制御器は、発電移行後、直流電圧検出手段による隣接セル間での電位差が所定値以上であれば、前記表示手段にて、そのセル番号および検出電圧と、隣接セル間の電位差を表示することを特徴とする請求項２記載の燃料電池システム。
6. 制御器は、発電停止後、直流電圧検出手段による１セル単位での電圧が０Ｖ以下つまりマイナス電圧に下降した場合、発電を再開し最低電力で発電を継続することを特徴とする請求項２記載の燃料電池システム。
7. 記憶手段を備え、制御器は、発電停止後、直流電圧検出手段による１セル単位での電圧が０Ｖ以下つまりマイナス電圧に下降した場合があれば、前記記憶手段で記憶し、その回数が規定回数以上になった場合は異常報知することを特徴とする請求項６記載の燃料電池システム。
8. 記憶手段を備え、制御器は、発電移行後、直流電圧検出手段による１セル単位での電圧が所定値以下あるいは所定値以上、さらに隣接セル間での電位差が所定値以上であれば、前記記憶手段で記憶し、その回数が規定回数以上になった場合は異常報知することを特徴とする請求項４又は５記載の燃料電池システム。