JP2008084715A - 固体電解質形燃料電池システム - Google Patents
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Abstract
【解決手段】直流電力を出力する固体電解質形燃料電池2と、該燃料電池2からの直流電力を交流電力に変換し、負荷6からの要求交流電力に応じて系統電力からの交流電力と燃料電池2からの直流電力を制御する電力変換システム4とを具備する燃料電池システムであって、電力変換システム4は、負荷6からの要求交流電力に応じて燃料電池2から直流電力を引き出す際に、燃料電池2からの直流出力電圧の変化速度を一定にして燃料電池2から直流電力を引き出すことを特徴とする。
【選択図】図1
Description
ガス供給システム1は燃料ガス供給部、酸素含有ガス供給部、および水(水蒸気)供給部から構成されているが、本システムでは、簡略化して一つのガス供給システムとして記載している。ガス演算制御部11もガス供給システム1だけの演算制御ではなく、実際は、燃料電池の温度センサ、ガスセンサ、バルブ、流量センサなどの周辺機器の演算制御も行っている。
燃料電池2は、図2に示すように、ハウジング内に、4個の発電ユニット56a、56b、56c及び56dを配置して構成されている。発電ユニット56a、56b、56c及び56dは、図示しないが、複数の空気導入管間に位置せしめられている。言い換えれば、発電ユニット56a、56b、56c及び56d間に、空気導入管が配設されている。発電ユニット56aは左右方向に細長く延びる直方体形状の燃料ガスケース58aを具備している。
1/2O2+2e−→O2−(固体電解質)
の電極反応が生成され、燃料極において、
O2−(固体電解質)+H2→H2O+2e−
の電極反応が生成されて発電される。
直流電流センサ3は、燃料電池2からの出力である直流電力の電流を計測するためのセンサである。このセンサとしてはシャント抵抗と呼ばれるものやホール素子を利用したものなどがある。いずれも直流電流を電圧に変換し、さらに増幅して電流値として取り込むものである。シャント抵抗は定抵抗のものに電流を流し、電圧が電流に応じて比例する特性を利用したものであり、ホール素子はホール効果を利用したものである。これ以外にも直流電流を計測できるものであればよく、特に限定するものではない
(電力変換システム)
電力変換システム4は、基本的には燃料電池2から出力された直流の電力を家庭で使用される交流の電力に変換するものである。ただし、家庭には電力会社から電力が供給されているために、この電力と連系する形での電力供給を行う必要がある。これを系統連系というが、電圧や周波数をあわせたり、また停電時には系統連系を解除したりといった機能が必要になる。また、負荷からの要求交流電力に応じて系統電力からの交流電力と燃料電池からの直流電力を制御する機能も有する。
系統電力センサ5は、系統から供給されている電力を読み取るセンサである。CTと呼ばれる交流電流を読み取るものが一般的である。交流の電圧の変動は電流値に対して少ないので予め100Vや200Vといった定まった値を用いて、これらを掛け合わすことで電力としてもよい。正確に電力を読み取る場合は、電圧を読み取るセンサを別途設けてもよい。この電圧を読み取るセンサは電力変換システムに付随の電圧センサを用いることもできる。これらを含め系統電力センサ5と称している。また系統電力センサ5は、逆潮流(燃料電池側から系統電力へ電力が流れ出すこと)を監視する役割ももつ。
ガス演算制御部11は、基本的に燃料電池2からの直流電流の出力を読み取り、燃料利用率や空気利用率一定の元で供給ガス量を演算し、ガス供給システム1に指示を出すものである。燃料利用率や空気利用率は一定で計算を行うが、それぞれ最低流量が設定されており、これらを下回る場合は最低流量が供給される。ここでは、ガス演算制御部11と称しているが、そのほかの燃料電池2の制御機能、例えば、バルブの開閉、温度計測、ガス漏れ感知、火災感知、ポンプ等の動作、各種機器の電源管理、燃料電池2の状態通知機能などが含まれていてもよい。
電力演算制御部12は、系統電力センサ5から系統が供給している電力情報を読み取り、電力値が極小になるように、電力変換システム4の交流出力を調整する。この際、交流出力が所定の値になるように燃料電池2から直流電力を吸い込むような動きを行う。例えば家庭で使用している電力が800Wとすると燃料電池2が動作していない状態では系統から800Wが供給されている。燃料電池2が動作する場合は、基本的に系統の電力が0になるように電力変換システム4を動作させる。実際には、系統の電力を0にする制御は、逆潮流をひきおこしやすくなるため、系統電力が数10W〜100Wになるように制御される。また、電力演算制御部12は、逆潮流(系統側への電力の流出)がおこる状態となると電力変換システム4を停止するような動作も行わせる。また、燃料電池側の電力も交流出力電力に応じて引き出す動きも行う。電力演算制御部12は燃料電池からの直流入力電圧も監視し、これが開放起電力の半分を下回らないようにも制御し、結果として交流出力も抑制する。
系統電力センサから系統の電力を読み取る。
電力変換システムに供給されているSOFCの電圧を読み取る。
(n−2)、(n−3)の電力、電圧の読み取り値より、電力変換システムの出力を演算し、出力する。
W=−R(I−E/2R)2+E2/4R
となり、I=E/2Rの時に最大値をとる。この時の電圧はV=E−IRよりV=E/2となる。
系統電力センサからの要求出力と実際の電力変換システムの出力を比較し、例えば200W以上あるかないか判断する。
系統電力センサからの要求出力と実際の電力変換システムの出力差がある場合は、ガス演算制御部へ燃料ガス増量の指示をだす。燃料電池からの出力電流が小さい場合に、燃料電池の出力電圧がE/2に固定されてしまう問題が生じる。これは、出力が少ないと燃料電池の発熱量が少なくなり、動作温度が低下する。動作温度が低くなると同じ電流で取り出せる電圧が低くなり、次第にE/2に近づいてくる。
停止ボタンが押されるまで、繰り返し動作を行う。
燃料電池からの直流出力電流(パワコンへの入力直流電流)I(A)を直流電流センサで読み取る。
読み取った電流値Iと、設定されている空気利用率A、例えば30%と、燃料利用率H、例えば70%から、下記のようにして空気流量、燃料ガス流量をガス演算制御部にて演算する。
I:読み取り電流
n:全セル数、200
F:ファラデー定数、96484.56
A:空気利用率、任意設定(10〜40%程度)
価数:O2は4価
0.21:空気中に含まれる酸素の割合都市ガス流量=I×n×22.4×60/(F*H×燃料平均価数)×100L/min
I:読み取り電流
n:全セル数、200
F:ファラデー定数、96484.56
H:燃料利用率、任意設定(60〜90%程度)
燃料平均価数:都市ガス中の燃料の平均的な価数。例えばCH4
は8価、C2H6は14価である。これらの燃料ガス
中に含まれる体積分立をかけて平均化したもの。
SOFCの場合は、発電量が少ない場合、温度の低下を招く危険性がある。そのため、最低限温度を保持する分だけの燃料を投入しておく必要がある。そこで、演算して求められた流量と比較する。空気最低流量、例えば30(A)L/min、燃料最低流量、例えば1.2(H)L/minと比較する。
演算結果が最低流量を下回る場合は、空気、燃料のガス流量を最低流量に置き換える。
パワコンからの燃料最大流量要求があるか監視する。
燃料最大流量の要求がある場合は、最大流量(H)に演算値を置き換える。
モジュール温度を監視し、例えば830℃以下であるか監視を行う。
空気最大流量の要求がある場合は、ブロワーの電圧を最大にする。
水の流量が、例えばS/C=2.5(X26)になるように設定し、水を流す。これにはS/Cといって燃料中のカーボン量とスチーム(H2O)の比率を一定にする。燃料平均炭素数を用いる。燃料に含まれる炭素のモル比は、燃料平均炭素数×ガス流量/22.4となり、この比率がX26(ここでは2.5)であること、水1モルは、気体22.4L、液体18ccであることを考慮すると
水の流量X=燃料平均炭素数×ガス流量×X26×18/22.4
(n−17)ブロワー設定
ガス流量システム内のブロワーを動作させ、流量モニタで流量を監視しながら、演算で得られた所定の流量に空気を流す。流量モニタの出力電圧をX(V)とする。出力が1−5Vに注意して、このモニタの最大流量は10m3/hであるため、流れる空気流量Yは
Y=(X−1)×10 [m3/h]
となる。流量の単位を変換して
Y=(X−1)×10000/60 [L/min]
が、実際流れている流量となる。この値になるようにブロワーの電源電圧を制御する。
演算で求めた都市ガスが流れるように、ガス供給システムに流量設定信号を送り、都市ガスを流す。
(n−16)で演算した水の流量でガス流量システム内の水量を設定する。
2:燃料電池
3:直流電流センサ
4:電力変換システム
5:系統電力センサ
11:ガス演算制御部
12:電力演算制御部
Claims (2)
- 直流電力を出力する固体電解質形燃料電池と、該燃料電池からの直流電力を交流電力に変換する電力変換システムとを具備する燃料電池システムであって、前記電力変換システムは、負荷からの要求交流電力に応じて前記燃料電池から直流電力を引き出す際に、前記負荷からの要求交流電力が変化するまでの間、前記燃料電池からの直流出力電圧の変化速度を一定にして前記燃料電池から直流電力を引き出すことを特徴とする固体電解質形燃料電池システム。
- 前記燃料電池の直流電力上昇の際の直流出力電圧の下降速度が1セル当たり2mV/秒以上であることを特徴とする請求項1記載の固体電解質形燃料電池システム。
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