JP2007157558A - 燃料電池の運転制御方法及び装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 燃料電池スタック中の不良セルをバイパスさせて電流を流す制御を安定して行えるようにする。
【解決手段】 燃料電池スタックＳの負荷電流を電流計１８で計測する。負荷電流の一部を不良セルＣ´をバイパスさせるバイパス直流電源回路１７を設ける。該バイパス直流電源回路１７の直流電源１６に上記電流計１８を接続し、計測点での負荷電流を直流電源１６に入力させる。直流電源１６は、負荷電流が低いときにはバイパス電流が零となるようにし、負荷電流が所定の値以上になると、バイパスすべき電流を決めてバイパスさせるように制御する機能を有するものとしてある。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料の有する化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換するエネルギー部門で用いる燃料電池の運転制御方法及び装置に関するもので、詳しくは、セパレータを介して多層に積層されているセルが固定されていて１つのセルを取り外すことができないようになっている燃料電池の１つのセル電圧が低下しているときに、これを補償する運転制御方法及び装置に関するものである。

燃料電池のうち、溶融炭酸塩型の燃料電池は、図３に内部マニホールド型の一例の概略を示す如く、電解質としての溶融炭酸塩を多孔質物質にしみ込ませてなる電解質板（タイル）１を、カソード（酸素極）２とアノード（燃料極）３の両電極で両面から挟み、カソード２側に酸化ガスＯＧを供給すると共にアノード３側に燃料ガスＦＧを供給することにより、カソード２とアノード３との間で行われる電気化学反応により発電が行われるようにしたものを１セルＣとしている。

かかるセルＣをガス通路を形成しているセパレータ４を介して多層にして燃料電池スタックＳとするようにしてある。

上記燃料電池スタックＳにおける１つのセル電圧が低下した場合、そのセル電圧が低下したセルは性能劣化を引き起こすことになる。

又、燃料電池スタックＳから電力を取り出す場合には、上記性能劣化した不良セルにも電流が流れることになる。このような場合、これまでは不良セルを保護する上から、該不良セルに流せる電流を不良セルの定格電流以下の電流に制限するようにして、燃料電池スタックＳ全体に流れる負荷電流を制限するようにしていた。

燃料電池スタックＳから不良セルを取り外すことができるものであればよいが、多層に積層されているセルは一体構造としてあって取り外すことができない燃料電池にあっては、１つのセルに不良セルが発生すると、その不良セルを保護するために、上記のように全体の負荷電流を制限するようにしているのが実状であった。

そのため、燃料電池スタックＳ全体の出力が低下することになり、燃料電池スタックＳの性能が低下してしまうことになる。

このような１つのセル電圧が低下したときに、その不良セルを保護するための燃料電池の運転では、燃料電池スタックＳ全体の性能を低下させてしまうことになるので、燃料電池スタックＳの性能の悪化を軽減するための工夫がなされている。

近年、電圧が低下したセルに電流が流れることによる燃料電池スタックの性能の悪化を軽減させることができるものとして、図４及び図５に示したものが提案されている。

すなわち、エンドプレート５によって挟持された燃料電池スタックＳと、水素と空気を利用して電気化学反応によって燃料電池スタックＳから出力される直流電流を交流電流に変換して負荷６に供給するインバータ７と、負荷６及びインバータ７の動作を制御する制御回路８とを有する構成において、燃料電池スタックＳを構成するセルＣ間にバイパス電源回路９を並列に挿入すると共に、該バイパス電源回路９が挿入されたセルＣのセル電圧を計測する電圧計１０と、バイパス電源回路９の動作を制御するコントロールユニット１１を備えた構成としてある。

上記バイパス電源回路９は、図５に示す如く、セルＣのアノード３とカソード２に接続されており、該バイパス電源回路９を流れる電流を計測する電流計１２と、バイパス電源回路９で接続されているセルＣのセル電圧を制御する外部電源１３及び可変抵抗素子１４、セルＣに対するバイパス電源回路９の接続/非接続を切り換えるスイッチ素子１５とを
接続した構成としてある。

上記構成により、燃料電池スタックＳの所定のセルＣ間の電圧が所定電圧まで低下したことが電圧計１０の計測値によりわかると、この低下に応じてコントロールユニット１１がセルの性能が低下していると判断して、バイパス電源回路９内のスイッチ素子１５をオン状態に制御することにより、セルＣに流れる直流電流の一部をバイパス電源回路９を経由して流れるようにする。この際、セル電圧が所定電圧になるように外部電源１３と可変抵抗素子１４をコントロールユニット１１により調整し、セル電圧が低下すると可変抵抗素子１４の抵抗値を下げることにより、バイパス電源回路９により多くの直流電流が流れるようにすると共に性能低下セルＣに流れる電流量を減らし、燃料電池スタックＳの性能の悪化を軽減させるようにしてある（たとえば、特許文献１参照）。

特開２００５−１５００２３号公報

ところが、上記特許文献１に記載のものは、バイパス電源回路９に備えた電圧計１０によりセルの電圧低下を判断し、セル電圧が所定の電圧になるようにバイパス電源回路９に分岐させる電流を制御するようにしたものであり、安定した制御ができないという問題がある。すなわち、バイパス電源回路９のセル電圧特性は、フラットになっているので、電圧制御でバイパス電流量を制御した場合、バイパス電源回路９の直流電源の電圧が少しでも変動したり、計測に誤差があると、電流が大きく変動することになり安定した制御ができない。

そこで、本発明は、燃料電池スタックの１つのセル電圧が低下したときに、負荷電流の一部をバイパスさせる制御を安定して行えるようにする燃料電池の運転制御方法及び装置を提供しようとするものである。

本発明は、上記課題を解決するために、電気化学反応により発電できるようにしてあるセルが多層にしてスタックとしてある燃料電池の１つのセルが性能劣化しているときに運転制御する燃料電池の運転制御方法において、上記燃料電池の負荷電流が所定の値になったとき負荷電流の一部を直流電源を通してバイパスさせるようにするか、あるいは、燃料電池の負荷電流値を見て、該負荷電流が低いときは性能劣化セルをバイパスさせる負荷電流を零とし、上記燃料電池の負荷電流が所定の値以上になったとき負荷電流の一部を直流電源を通してバイパスさせ、負荷電流をバイパス電流と性能劣化セルへ流す電流に分担させるように運転制御する方法及び装置とする。

更に、上記所定の値を、最大負荷電流の２０〜４０％程度とするようにする。

本発明の燃料電池の運転制御方法及び装置によれば、次の如き優れた効果を奏し得る。
（１）電気化学反応により発電できるようにしてあるセルが多層に積層してある燃料電池の１つのセルが性能劣化しているときに運転制御する燃料電池の運転制御方法において、上記燃料電池の負荷電流が所定の値以上になったとき負荷電流の一部を直流電源を通してバイパスさせるようにするか、あるいは、燃料電池の負荷電流値を見て、該負荷電流が低いときは性能劣化セルをバイパスさせる負荷電流を零とし、上記燃料電池の負荷電流が所定の値以上になったとき負荷電流の一部を直流電源を通してバイパスさせ、負荷電流をバイパス電流と性能劣化セルへ流す電流に分担させるように運転制御する方法及び装置としてあるので、制御を負荷電流を計測して行うことができ、従来の電圧制御方式に比して制御を安定して行うことができる。
（２）燃料電池全体の負荷電流から性能劣化セルをバイパスさせる電流を零にしたり、バイパスさせたりすることにより、負荷電流が低いときにバイパス電流を零にすることができて、バイパスさせるところのセル電圧の急変を防止することができる。
（３）性能劣化セルを流れる負荷電流が所定の値以上になると、直流電源側に電流をバイパスさせるので、性能劣化セルに流れる負荷を軽減し、正常セルにはバイパス電流を流すことができて、負荷に制限されずに定格の出力が可能となる。
（４）負荷電流が最大負荷電流の２０〜４０％程度になると、バイパスさせるようにすることにより、負荷電流の変動があっても、性能劣化セルに流れる電流が０％となることがないので、１００％バイパスがなく、バイパスさせるところのセル電圧の急変のおそれはない。

以下、本発明を実施するための最良の形態を図面を参照して説明する。

図１及び図２は本発明の実施の一形態を示すもので、図３に示した溶融炭酸塩型燃料電池と同様に、電解質板１を、カソード２とアノード３の両電極で両面から挟み、カソード２側に酸化ガスを、又、アノード３側に燃料ガスをそれぞれ供給できるようにしてあるセルＣを、セパレータ４を介して多層に積層して燃料電池スタックＳとしてある構成において、１つのセルＣに電圧低下があって性能が低下している場合に、その不良セルＣ´に隣接するセルＣに直流電源１６を並列に接続して、バイパス直流電源回路１７を設け、負荷電流の一部をバイパス直流電源回路１７に流して不良セルＣ´をバイパスさせるようにする。

詳述すると、上記構成としてある燃料電池スタックＳの負荷電流、すなわち、全体の出力電流を電流計１８で計測するようにすると共に、上記バイパス直流電源回路１７における直流電源１６に上記電流計１８を接続して、該電流計１８で計測された負荷電流の値が信号としてバイパス直流電源回路１７に入力されるようにしてある。

上記バイパス直流電源回路１７における直流電源１６は、上記電流計１８による計測点における負荷電流が低いときにはバイパス電流を零にし、又、負荷電流が所定の値以上大きいときには負荷電流の一部をバイパスさせるようにし且つバイパスすべき電流を決めて制御するようにした制御機能を具備させた構成としてある。

なお、図１では図示してないが、燃料電池スタックＳから出力される直流電流は、インバータで交流電流に交換されて負荷に供給されるようにしてある。

上記構成としてある燃料電池スタックＳの運転制御を行うときは、電流計１８が設けてある計測点における負荷電流が計測されると、バイパス直流電源回路１７の直流電源１６に入力される。

該直流電源１６は、入力される計測点での負荷電流の値に基づいて、上記のように、負荷電流が低いときにはバイパス電流を零とするように制御すると共に負荷電流が或る値以上大きくなると、負荷電流の一部をバイパスさせるようにし且つバイパスすべき電流の値を決めてバイパスさせるようにする制御装置としての機能を具備したものとしてあるので、電流計１８から入力された負荷電流の値に基づいて負荷電流の値が低いときは、負荷電流をバイパス直流電源回路１７を通してバイパスさせないようにする。このように、負荷電流が低いときに負荷電流をバイパスさせないようにするのは、若し、負荷電流が燃料電池スタックＳの不良セルＣ´に０％、バイパスに１００％とした場合、バイパスさせるセル、すなわち、不良セルＣ´の電圧が急変することが確認されているので、１００％バイパスは避けなければならないためである。

そのため、本発明では、負荷電流が大きくなって所定の値以上の状態になるまでは、負荷電流をバイパスさせないように直流電源１６で制御させるようにする。上記所定の値は、負荷電流（全体の出力電流）が最大負荷電流のたとえば、２０〜４０％程度とし、これ以上になると、バイパスさせるように直流電源１６を制御させるようにする。これにより、負荷電流の変動があって多少低くなっても、バイパス電流が１００％になるようなことがなくなる。

上記負荷電流の一部をバイパスさせるときの負荷電流の値として、２０〜４０％程度としたのは、２０％以下では、万一負荷電流の変動でセル電流が０％もしくはこれに近くなるおそれがあるからであり、４０％以上はバイパスが遅れてくるからである。

電流計１８からの信号を見ながら、負荷電流値が上記のように２０〜４０％程度以上になると、直流電源１６がそのうちのいくらをバイパスさせるか、すなわち、バイパスさせるべき電流を決めてバイパスさせるような制御が行われ、不良セルＣ´に流れる負荷電流を確保しながら直流電源１６側に負荷電流がバイパスさせられる。したがって、正常なセルＣには通常の電流を流すことができて、負荷を制御することなく、定格の出力を可能とすることができる。

一例として、健全セルＣの最大負荷電流を１０００アンペアとしたときには、図２に示す如く、そのうち不良セルＣ´へ流せる電流は４００アンペアまでとし、バイパスさせる最大電流は６００アンペアとなるよう制御させるようにする。

図２において、横軸が負荷電流Ａ、縦軸が分担電流Ａである。又、図中Ｘは不良セルＣ´に流す電流を示し、Ｙはバイパス電流を示す。負荷電流が低く、所定の値（２０〜４０％程度）以上になるまでは、バイパスさせないように負荷電流を不良セルＣ´側のみに流すようにする。負荷電流が大きくなり、たとえば、３０％以上に大きくなると、直流電源１６を制御して負荷電流の一部をバイパスさせ、バイパス電流を符号Ｙのように直線的に増加させ、負荷電流が１０００Ａのところでバイパス電流Ｙを６００Ａ、不良セルＣ´へ４００Ａの電流が流れるように制御するようにする。

このように、負荷電流が一定の値以上になるまでバイパス電流を零とし、一定の値以上になってからバイパス電流を増加させて予め設定した値まで流すように電流制御することから、不良セルＣ´のセル電圧の急変を防止し、且つ不良セルＣ´に負荷電流の一部を流し残りの負荷電流をバイパスさせることができて、不良セルＣ´のために負荷を制限することなく燃料電池としての本来の定格の出力を可能とすることができる。

なお、本発明は、上記実施の形態のみに限定されるものではなく、たとえば、バイパス直流電源回路１７の直流電源１６に、負荷電流の計測値を入力すると共に、該負荷電流の計測値が全負荷電流の２０〜４０％程度以上になるまでは、負荷電流をバイパスさせないようにすると共に、負荷電流の計測値が上記２０〜４０％程度以上になるとバイパスすべき電流を決めてバイパスさせるようにする制御装置としての機能を、直流電源１６に具備させた場合を示したが、直流電源１６にかかる機能を具備させることなく、かかる機能を有する制御部を別に備えて、該制御部から指令が直流電源１６に送られるようにしてもよい。又、バイパス直流電源回路１７に定電流電源を用いて電流を制御するようにすると共に、負荷電流の値を定電流電源に予め設定しておいて、バイパスさせるようにしてもよい。上記実施の形態では、健全セルＣの燃料電池の最大負荷電流を１０００Ａとし、このときの負荷電流が３０％を超えるとバイパス電流を負荷電流１０００Ａで６００Ａ、不良セルへ４００Ａ流れるようにする場合を示したが、これは一例であり、この値に限定されるものではなく、最大負荷電流の値に応じてバイパス電流の値と不良セルに流す負荷電流の値を、たとえば、６対４位の割り合いの分担となるように制御するようにすればよい。又、上記の実施の形態では、溶融炭酸塩型燃料電池の運転制御として説明したが、セルが積層してある燃料電池であって、各層のセルが互いに一体化されていて１つのセルを交換することができないようになっている燃料電池であれば、同様に適用できること、その他本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の変更を加え得ることは勿論である。

本発明の燃料電池の運転制御方法及び装置の実施の一形態を示す概要図である。 本発明において負荷電流をバイパスさせるときのバイパス電流と不良セルに流す電流の関係を示す図である。 溶融炭酸塩型燃料電池の一例を示す概要図である。 １つのセル電圧が低下した燃料電池性能の悪化を軽減するようにした一例を示す図である。 図４のバイパス電源回路の構成を示す図である。

符号の説明

２ カソード
３ アノード
４ セパレータ
１６ 直流電源
１７ バイパス直流電源回路
１８ 電流計
Ｃ セル
Ｃ´ 性能劣化セル（不良セル）
Ｓ 燃料電池スタック

Claims (5)

1. 電気化学反応により発電できるようにしてあるセルが多層に積層してある燃料電池の１つのセルが性能劣化しているときに運転制御する燃料電池の運転制御方法において、上記燃料電池の負荷電流が所定の値以上になったとき負荷電流の一部を直流電源を通してバイパスさせ、負荷電流をバイパス電流と性能劣化セルへ流す電流に分担させるように運転制御することを特徴とする燃料電池の運転制御方法。
2. 電気化学反応により発電できるようにしてあるセルが多層に積層してある燃料電池の１つのセルが性能劣化しているときに運転制御する燃料電池の運転制御方法において、燃料電池の負荷電流値を見て、該負荷電流が低いときは性能劣化セルをバイパスさせる負荷電流を零とし、上記燃料電池の負荷電流が所定の値以上になったとき負荷電流の一部を直流電源を通してバイパスさせ、負荷電流をバイパス電流と性能劣化セルへ流す電流に分担させるように運転制御することを特徴とする燃料電池の運転制御方法。
3. 所定の値を、最大負荷電流の２０〜４０％程度とする請求項１又は２記載の燃料電池の運転制御方法。
4. 電気化学反応により発電できるようにしてあるセルが多層に積層してある燃料電池の１つのセルが性能劣化しているときに運転制御する燃料電池の運転制御装置において、性能劣化しているセルをバイパスするように直流電源を並列に接続して、バイパス直流電源回路とし、更に、上記直流電源に予め設定した負荷電流値になると負荷電流をバイパスさせるようにした構成を有することを特徴とする燃料電池の運転制御装置。
5. 電気化学反応により発電できるようにしてあるセルが多層に積層してある燃料電池の１つのセルが性能劣化しているときに運転制御する燃料電池の運転制御装置において、燃料電池の負荷電流値を計測する電流計を設け、且つ性能劣化しているセルをバイパスするように直流電源を並列に接続して、バイパス直流電源回路とし、該バイパス直流電源回路の直流電源に上記電流計の計測値を入力し、更に、該電流計で計測される負荷電流の値に基づいて負荷電流のバイパス時期とバイパスすべき電流を決めるようにした構成を有することを特徴とする燃料電池の運転制御装置。

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