JP2010067354A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】特に補機に対する効率的な電力の供給を行うとともに、急激な負荷変動や需要電力の変動による燃料電池モジュールの劣化を良好に抑制することを可能にする。
【解決手段】燃料電池システム１０は、燃料電池モジュール１２を備え、前記燃料電池モジュール１２の出力側には、電力供給線１４を介して前記燃料電池モジュール１２で発電した電流を引き込む電流引き込み回路１６と、前記燃料電池モジュール１２で発生した直流電力を所望の直流電力に変換するＤＣ／ＤＣコンバータ１８と、変換された前記直流電力を交流電力に変換して負荷２０に供給するとともに、系統電源２２に電気的に接続されるＤＣ／ＡＣインバータ２４とが電気的に接続される。電流引き込み回路１６は、負荷２０に必要とされる負荷需要電力と補機３２に必要とされる補機需要電力との総和に応じて、燃料電池モジュール１２で発電した電流を引き込む。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池モジュールと、前記燃料電池モジュールを駆動させるための補機と、前記燃料電池モジュールで発生した直流電力を所望の直流電力に変換する直流電力変換部と、変換された前記直流電力を交流電力に変換して負荷に供給するとともに、系統電源に電気的に接続される交流電力変換部とを備える燃料電池システムに関する。

通常、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）は、電解質に酸化物イオン導電体、例えば、安定化ジルコニアを用いており、この電解質の両側にアノード電極及びカソード電極を配設した電解質・電極接合体（ＭＥＡ）を、セパレータ（バイポーラ板）によって挟持している。この燃料電池は、通常、電解質・電極接合体とセパレータとが所定数だけ積層（スタック）された燃料電池モジュールとして使用されている。

燃料電池モジュールを組み込む燃料電池システムは、通常、前記燃料電池モジュールを駆動させるポンプやブロア等の補機に、前記燃料電池モジュールで発生する直流電力が、ＤＣ／ＤＣコンバータやＤＣ／ＡＣインバータ等の変換器を経由して供給されている。従って、これらの変換器の電力変換効率に相当する電力損失が発生している。

そこで、発電効率を向上させることを目的として、例えば、特許文献１に開示されている燃料電池発電システム及びその制御方法が知られている。この燃料電池発電システムでは、図７に示すように、燃料電池１ａの出力端子に、電力供給ライン２ａを介して負荷用ＤＣ／ＤＣコンバータ３ａ及びインバータ４ａが接続されている。電力供給ライン２ａには、遮断器５ａを介して商用電源６ａから負荷７ａへの電力ライン８ａが接続されている。電力供給ライン２ａには、システムの運転に用いる補機（図示せず）に直流電力を供給する補機用ＤＣ／ＤＣコンバータ９ａが接続されている。

そして、補機に必要な電力が供給されるように、補機用ＤＣ／ＤＣコンバータ９ａが制御されるとともに、燃料電池１ａの出力電流が運転モードに応じた目標電流で保持されるように、負荷用ＤＣ／ＤＣコンバータ３ａが制御されている。このため、燃料電池１ａからの直流電流を交流電力に変換して補機に供給するものに比べ、システムの効率を向上させることができるとともに、前記燃料電池１ａを安定して運転することができる、としている。

また、特許文献２に開示されている燃料電池発電システムは、図８に示すように、燃料電池１ｂから出力される直流電圧を変圧するＤＣ／ＤＣコンバータ２ｂと、前記ＤＣ／ＤＣコンバータ２ｂの出力側に接続され、系統電源３ｂと連係するために、前記ＤＣ／ＤＣコンバータ２ｂで変圧された直流電圧を交流電圧に変換する系統連系インバータ４ｂと、燃料電池用補機５ｂ、６ｂ及び７ｂに電力を供給する補機動力端子８ｂと、前記補機動力端子８ｂを前記燃料電池１ｂの出力側と前記系統連系インバータ４ｂの出力側との間で切り換える切り換え回路９ｂとを備えている。これにより、補機用電源の無駄な電力損失を抑え、発電効率を向上させることができる、としている。

さらにまた、特許文献３に開示されている燃料電池システムは、図９に示すように、燃料電池１ｃと、天然ガス等の燃料、水、空気から水素ガスを生成して前記燃料電池１ｃに供給する燃料生成系２ｃと、前記燃料生成系２ｃに燃料、水、空気を供給し、前記燃料電池１ｃに水素ガスを供給するためのバルブ、ポンプ等の補機３ｃと、前記燃料電池１ｃから入力した直流電圧を交流電圧に変換して交流電圧源４ｃに出力するＤＣ／ＡＣインバータ５ｃとから構成されている。

そして、補機３ｃとして直流電圧駆動のものを採用し、この補機３ｃに燃料電池１ｃの直流電圧を供給し、前記燃料電池１ｃの出力電圧と前記補機３ｃの駆動電圧とが等しくなるように構成されている。これにより、変換損失をなくして発電効率を向上させることができる、としている。

特開２００３−１９７２３４号公報 特開２００３−２４３０１１号公報 特開２００４−０８７４０３号公報

しかしながら、上記の特許文献１では、燃料電池１ａの出力端子直下で出力を制御することができない。このため、急激な負荷変動や、負荷需要電力（負荷に必要とされる需要電力）及び補機需要電力（補機に必要とされる需要電力）の変動が発生した際、燃料電池モジュールの発電出力が急激に変動してしまう。これにより、急激な発電出力の変動による燃料電池モジュールの劣化が惹起されて、前記燃料電池モジュールの耐久性が低下するという問題がある。

また、上記の特許文献２及び特許文献３では、上記の特許文献１と同様に、燃料電池１ｂ、１ｃの出力端子直下で出力を制御することができない。従って、急激な発電出力の変動による燃料電池モジュールの劣化が惹起されてしまい、前記燃料電池モジュールの耐久性を損なうという問題がある。

本発明はこの種の問題を解決するものであり、特に補機に効率的な電力の供給を行うとともに、急激な負荷変動や需要電力の変動による燃料電池モジュールの劣化を良好に抑制することが可能な燃料電池システムを提供することを目的とする。

本発明は、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池モジュールと、前記燃料電池モジュールを駆動させるための補機と、前記燃料電池モジュールと電気的に接続され、前記燃料電池モジュールで発生した直流電力を所望の直流電力に変換する直流電力変換部と、前記直流電力変換部と電気的に接続され、変換された前記直流電力を交流電力に変換して負荷に供給するとともに、系統電源に電気的に接続される交流電力変換部とを備える燃料電池システムに関するものである。

燃料電池システムは、燃料電池モジュールと直流電力変換部とを接続する電力供給線の途上に設けられ、前記燃料電池モジュールで発電した電流を引き込む電流引き込み部と、前記電流引き込み部と前記直流電力変換部との間で前記電力供給線から分岐し、前記燃料電池モジュールから補機に電力を供給可能な第１補機用電力供給線と、前記直流電力変換部と交流電力変換部とを接続する電力供給線から分岐し、系統電源から前記補機に電力を供給可能な第２補機用電力供給線とを備えている。

また、燃料電池システムは、第１補機用電力供給線及び第２補機用電力供給線に接続され、補機に所望の直流電力を供給するための補機用直流電力変換部を備えることが好ましい。このため、燃料電池モジュールの出力電圧と補機の駆動電圧とを等しくする必要がなく、前記燃料電池モジュールの発電出力の自由度が向上するとともに、前記補機の選択自由度の向上が図られる。

さらに、電流引き込み部は、負荷に必要とされる需要電力である負荷需要電力と、補機に必要とされる需要電力である補機需要電力との総和に応じて、燃料電池モジュールで発電した電流を引き込むことが好ましい。従って、燃料電池モジュールを安定して運転することができるとともに、消費電力分のみを補うことが可能になる。

さらにまた、補機需要電力は、補機に必要とされる需要電力の下限値であることが好ましい。これにより、補機需要電力の変動が惹起されても、負荷需要電力の不足分を系統電源から供給することによって、前記補機需要電力の変動による燃料電池モジュールの発電出力の変動を抑制することができる。このため、補機需要電力の変動による燃料電池モジュールの劣化を阻止することが可能になり、前記燃料電池モジュールの耐久性の向上が容易に図られる。

また、燃料電池モジュールは、固体酸化物形燃料電池モジュールであることが好ましい。従って、高温型燃料電池モジュールである固体酸化物形燃料電池モジュールに適用することにより、急激な負荷変動や負荷需要電力及び補機需要電力の変動による燃料電池モジュールの発電出力の変動を最小限に抑制するとともに、温度の変動も最小限に抑制することができる。これにより、急激な発電出力の変動による燃料電池モジュールの劣化を良好に抑制することが可能になって、前記燃料電池モジュールの耐久性の向上が容易に図られる。

しかも、燃料電池モジュールからの発電電力の一部を直接的に補機に供給することができる。このため、高効率な固体酸化物形燃料電池モジュールの運転効率が、より一層向上する。

本発明によれば、電流引き込み部で燃料電池モジュールからの電流引き込み量を制御することができるため、実質的に前記燃料電池モジュールの発電出力の制御が行われる。従って、急激な負荷変動や負荷需要電力及び補機需要電力の変動による燃料電池モジュールの発電出力の変動を最小限に抑制することが可能になる。これにより、急激な発電出力の変動による燃料電池モジュールの劣化を良好に抑制することができ、前記燃料電池モジュールの耐久性の向上が容易に図られる。

しかも、燃料電池モジュールからの発電電力の一部を直接的に補機に供給することが可能になる。このため、電力変換損失が最小限になり、燃料電池モジュールの運転効率が容易に向上する。

図１は、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池システム１０の概略構成図である。

燃料電池システム１０は、燃料電池モジュール１２を備え、前記燃料電池モジュール１２の出力側には、電力供給線１４を介して前記燃料電池モジュール１２で発電した電流を引き込む電流引き込み回路（電流引き込み部）１６と、前記燃料電池モジュール１２で発生した直流電力を所望の直流電力に変換するＤＣ／ＤＣコンバータ（直流電力変換部）１８と、変換された前記直流電力を交流電力に変換して負荷２０に供給するとともに、系統電源２２に電気的に接続されるＤＣ／ＡＣインバータ（交流電力変換部）２４とが電気的に接続される。

電流引き込み回路１６とＤＣ／ＤＣコンバータ１８との間には、電力供給線１４から分岐して第１補機用電力供給線１４ａが設けられるとともに、前記ＤＣ／ＤＣコンバータ１８とＤＣ／ＡＣインバータ２４との間には、前記電力供給線１４から分岐して第２補機用電力供給線１４ｂが設けられる。

第１補機用電力供給線１４ａは、ダイオード２６ａを介装して切り換え回路（例えば、スイッチング素子）２８に接続される一方、第２補機用電力供給線１４ｂは、ダイオード２６ｂを介装して前記切り換え回路２８に接続される。切り換え回路２８は、補機用電力供給線３０を介して補機３２に接続される。

燃料電池モジュール１２は、好適には、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）を用いた固体酸化物形燃料電池モジュールである。固体酸化物形燃料電池は、固体電解質に酸化物イオン導電体、例えば、安定化ジルコニアを用いており、この固体電解質の両側にアノード電極及びカソード電極を配設したＭＥＡ（電解質・電極接合体）を、セパレータ（バイポーラ板）によって挟持している。この固体酸化物形燃料電池は、通常、ＭＥＡとセパレータとが所定数だけ積層された燃料電池スタックとして使用されるとともに、脱硫装置、改質装置及び熱交換装置等と組み合わされて固体酸化物形燃料電池モジュールを構成している。

電流引き込み回路１６は、例えば、トランジスタを備え、負荷２０に必要とされる需要電力である負荷需要電力と、補機３２に必要とされる需要電力である補機需要電力との総和に応じて、燃料電池モジュール１２で発電した電流を引き込む。補機需要電力は、後述するように、補機３２に必要とされる需要電力の下限値に設定される。

補機３２は、燃料電池モジュール１２を駆動させるための機器であり、前記燃料電池モジュール１２に燃料ガスを供給するポンプ及び前記燃料電池モジュール１２に酸化剤ガス（空気）を供給するブロア等を含む。負荷２０は、燃料電池システム１０が家庭用燃料電池システムとして使用される際には、各種の家電製品である。

このように構成される燃料電池システム１０の動作について、図２に示すフローチャートに沿って以下に説明する。

先ず、燃料電池システム１０が起動されると（ステップＳ１）、ステップＳ２に進んで、各種データの算出が行われる。このステップＳ２では、燃料電池モジュール１２の出力が、例えば、図示しない電流センサにより検出されるとともに、負荷２０に必要とされる需要電力である負荷需要電力と、補機３２に必要とされる需要電力である補機需要電力とが求められる。

ここで、補機需要電力は、図３に示すように、周期的に変動する場合があり、前記補機需要電力（補機消費電力）の最小電力値（下限電力値）Ｔ１と最大電力値（上限電力値）Ｔ２とが求められる。

次いで、ステップＳ３に進んで、検出された燃料電池モジュール１２の出力が、補機需要電力の最大電力値Ｔ２よりも小さいと判断されると（ステップＳ３中、ＮＯ）、ステップＳ４に進んで、系統電源２２から補機３２に電力の供給が開始される。

具体的には、図４に示すように、切り換え回路２８が駆動されて、第２補機用電力供給線１４ｂが補機用電力供給線３０に接続される。このため、系統電源２２からＤＣ／ＡＣインバータ２４に補機需要電力が（交流電力）が供給され、前記ＤＣ／ＡＣインバータ２４から第２補機用電力供給線１４ｂに直流電力が供給される。

この直流電力は、切り換え回路２８から補機用電力供給線３０を介して補機３２に供給される。従って、ポンプ及びブロワ等の補機３２が駆動され、燃料電池モジュール１２に燃料ガス及び酸化剤ガスが供給されるため、前記燃料電池モジュール１２の発電が開始される。

そして、燃料電池モジュール１２の出力が、補機需要電力（最大電力値Ｔ１）以上になると（ステップＳ３中、ＹＥＳ）、ステップＳ５に進んで、前記燃料電池モジュール１２から電力の供給が開始される。

具体的には、図５に示すように、切り換え回路２８の切り換え作用下に、第１補機用電力供給線１４ａが補機用電力供給線３０に接続される。電流引き込み回路１６は、指令値により動作されて燃料電池モジュール１２で発電した電流を引き込む。この指令値は、負荷需要電力と補機需要電力との総和、より好ましくは、前記負荷需用電力と前記補機需要電力の最小電力値Ｔ１との総和である。なお、電流引き込み回路１６による引き込み量Ｗは、補機需用電力の最大電力値Ｔ２≦Ｗ≦負荷需用電力＋補機需用電力の最小電力値Ｔ１とする。

これにより、電流引き込み回路１６から第１補機用電力供給線１４ａ及び補機用電力供給線３０を介して補機３２に補機需要電力が供給される。一方、ＤＣ／ＤＣコンバータ１８には、残余の負荷需要電力が供給され、この負荷需要電力は、ＤＣ／ＡＣインバータ２４を介して直流電力から交流電力に変換された後、負荷２０に供給される。

補機３２では、図３に示すように、補機需要電力（補機消費電力）が周期的に変動している。このため、補機需要電力が最小電力値Ｔ１を超えると、負荷２０に供給される負荷需要電力が不足する（ステップＳ６中、ＮＯ）。従って、系統電源２２は、負荷需要電力の不足電力分α（すなわち、補機消費電力−最小電力値Ｔ１＝α）が系統電源２２から負荷２０に供給される。

次に、燃料電池モジュール１２の発電が終了したと判断されると（ステップＳ８中、ＹＥＳ）、ステップＳ９に進んで、燃料電池システム１０の運転が停止される。

この場合、第１の実施形態では、電流引き込み回路１６により燃料電池モジュール１２からの電流引き込み量を制御することで、実質的に前記燃料電池モジュール１２の発電出力の制御が行われている。従って、急激な負荷変動や、負荷需要電力及び補機需要電力の変動による燃料電池モジュール１２の発電出力の変動を最小限に抑制することが可能になる。これにより、急激な発電出力の変動による燃料電池モジュール１２の劣化を良好に抑制することができ、前記燃料電池モジュール１２の耐久性の向上が容易に図られるという効果が得られる。

しかも、燃料電池モジュール１２からの発電電力の一部は、直接的に補機３２に供給することが可能になる。このため、例えば、ＤＣ／ＤＣコンバータ１８を経由して燃料電池モジュール１２の発電電力を補機３２に供給する構成に比べ、電力変換損失が最小限に抑制されて前記燃料電池モジュール１２の運転効率が容易に向上するという利点がある。

さらに、電流引き込み回路１６は、負荷２０に必要とされる負荷需要電力と補機３２に必要とされる補機需要電力との総和に応じて、燃料電池モジュール１２で発電した電力を引き込んでいる。従って、燃料電池モジュール１２を安定して運転することができるとともに、消費電力分のみを補うことが可能になる。

ここで、補機需要電力は、補機３２に必要とされる電力の下限値である最小電力値Ｔ１に設定されている。これにより、補機需要電力が周期的に変動する場合であっても、負荷需要電力の不足分（不足電力分α）を系統電源２２から供給することによって、前記補機需要電力の変動による燃料電池モジュール１２の発電出力の変動を抑制することができる。このため、補機需要電力の変動による燃料電池モジュール１２の劣化を阻止することが可能になり、前記燃料電池モジュール１２の耐久性の向上が容易に図られる。

また、燃料電池モジュール１２は、固体酸化物形燃料電池モジュールである。従って、高温型の固体酸化物形燃料電池モジュールに適用することにより、急激な負荷変動や負荷需要電力及び補機需要電力の変動による燃料電池モジュール１２の発電出力の変動を最小限に抑制するとともに、温度の変動も最小限に抑制することができる。これにより、急激な発電出力の変動による燃料電池モジュール１２の劣化を良好に抑制することが可能になり、前記燃料電池モジュール１２の耐久性の向上が容易に図られる。

しかも、燃料電池モジュール１２からの発電電力の一部を直接的に補機３２に供給している。このため、高効率な固体酸化物形燃料電池モジュールの運転効率が、より一層向上するという利点がある。

図６は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池システム４０の概略構成図である。なお、第１の実施形態に係る燃料電池システム１０と同一の構成要素には同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。

燃料電池システム４０は、第１補機用電力供給線１４ａ及び第２補機用電力供給線１４ｂに接続され、補機３２に所望の直流電力を供給するための補機用ＤＣ／ＤＣコンバータ（補機用直流電力変換部）４２を備える。

このように構成される第２の実施形態では、第１の実施形態と同様に、図２に示すフローチャートに沿って駆動制御される。その際、切り換え回路２８に代えて、補機用ＤＣ／ＤＣコンバータ４２を備えている。従って、特に、燃料電池モジュール１２の出力電圧と補機３２の駆動電圧とを等しくする必要がなく、前記燃料電池モジュール１２の発電出力の自由度が向上するとともに、前記補機３２の選択自由度の向上が図られるという効果が得られる。

本発明の第１の実施形態に係る燃料電池システムの概略構成図である。 前記燃料電池システムの駆動制御を説明するフローチャートである。 補機需要電力の変動を説明する図である。 前記燃料電池システムの起動開始時の動作説明図である。 前記燃料電池システムの発電状態の動作説明図である。 本発明の第２の実施形態に係る燃料電池システムの概略構成図である。 特許文献１の燃料電池発電システムの説明図である。 特許文献２の燃料電池発電システムの説明図である。 特許文献３の燃料電池システムの説明図である。

符号の説明

１０、４０…燃料電池システム １２…燃料電池モジュール
１４…電力供給線 １４ａ、１４ｂ、３０…補機用電力供給線
１６…電流引き込み回路 １８…ＤＣ／ＤＣコンバータ
２０…負荷 ２２…系統電源
２４…ＤＣ／ＡＣインバータ ２８…切り換え回路
３２…補機 ４２…補機用ＤＣ／ＤＣコンバータ

Claims (5)

1. 燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池モジュールと、
   前記燃料電池モジュールを駆動させるための補機と、
   前記燃料電池モジュールと電気的に接続され、前記燃料電池モジュールで発生した直流電力を所望の直流電力に変換する直流電力変換部と、
   前記直流電力変換部と電気的に接続され、変換された前記直流電力を交流電力に変換して負荷に供給するとともに、系統電源に電気的に接続される交流電力変換部と、
   を備える燃料電池システムであって、
   前記燃料電池モジュールと前記直流電力変換部とを接続する電力供給線の途上に設けられ、前記燃料電池モジュールで発電した電流を引き込む電流引き込み部と、
   前記電流引き込み部と前記直流電力変換部との間で前記電力供給線から分岐し、前記燃料電池モジュールから前記補機に電力を供給可能な第１補機用電力供給線と、
   前記直流電力変換部と前記交流電力変換部とを接続する電力供給線から分岐し、前記系統電源から前記補機に電力を供給可能な第２補機用電力供給線と、
   を備えることを特徴とする燃料電池システム。
2. 請求項１記載の燃料電池システムにおいて、前記第１補機用電力供給線及び前記第２補機用電力供給線に接続され、前記補機に所望の直流電力を供給するための補機用直流電力変換部を備えることを特徴とする燃料電池システム。
3. 請求項１又は２記載の燃料電池システムにおいて、前記電流引き込み部は、前記負荷に必要とされる需要電力である負荷需要電力と、前記補機に必要とされる需要電力である補機需要電力との総和に応じて、前記燃料電池モジュールで発電した電流を引き込むことを特徴とする燃料電池システム。
4. 請求項３記載の燃料電池システムにおいて、前記補機需要電力は、前記補機に必要とされる需要電力の下限値であることを特徴とする燃料電池システム。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料電池システムにおいて、前記燃料電池モジュールは、固体酸化物形燃料電池モジュールであることを特徴とする燃料電池システム。

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