JP2011103209A

JP2011103209A - 燃料電池システム

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Publication number: JP2011103209A
Application number: JP2009257340A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Machida; 博町田; Jun Takeuchi; 淳武内; Manabu Iwaida; 学岩井田
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2009-11-10
Filing date: 2009-11-10
Publication date: 2011-05-26

Abstract

【課題】燃料電池システムから商用電源に電力を供給するときに、燃料電池スタックの発電が停止されることを抑制した燃料電池システムを提供する。
【解決手段】燃料電池スタック１２から出力される直流電圧を交流電圧Ｖdaに変換して出力するインバータ１３と、インバータ１３の出力部と並列に接続された商用電源２の電圧を検出する電圧検出手段１４と、燃料電池スタック１２の定格運転中に商用電源２の電圧Ｖacが、商用電源２の規定電圧範囲の中央値Ｖcから上限値Ｖuまでの範囲内で設定された第１判定電圧Ｖth1を超えた状態が、所定時間以上継続したときに、改質装置１１に供給する原料ガスの量を減少させる運転制御手段とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、商用電源からの供給電力と連係させて燃料電池の発電運転を制御する燃料電池システムに関する。

従来より、家屋に設けられた分散電源（太陽電池等）と、電力線を介して電力会社から各家屋に供給される交流の商用電源とを連係させる電力連係システムとして、商用電源の発電電力と家屋での消費電力とを比較して、分散電源の発電量を制御するものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特許文献１に記載された電力連係システムにおいては、分散電源の発電電力が家屋での消費電力を超えているときに、余剰電力を電力会社に売電している。また、余剰電力が多過ぎて売電量が契約値より多いときに、分散電源の発電量を制御するか、或いは商用電源から切り離して（解列）潮流制御を行っている。

特開平９−１３５５３６号公報

電力連係システムとして、原料ガスから水素を精製する改質器を備えた燃料電池システムから供給される電力と、商用電源から供給される電力とを連係させる構成により、負荷に電力を供給することが考えられる。

そして、この構成において、負荷に対して燃料電池システムの発電量に余裕があり、燃料電池システムの出力電圧が商用電源の電圧よりも高くなったときに、燃料電池システムから商用電源に電力供給される状態（逆潮流）として、燃料電池システムの発電電力を売電することが考えられる。

この場合、商用電源には、規定電圧範囲（下限値〜上限値）が規定されている。そして、燃料電池装置の出力電圧がこの規定電圧範囲を超えたときには、燃料電池システムの発電を直ちに停止するか、燃料電池システムを商用電源から切り離す必要がある。しかし、燃料電池システムの発電を直ちに停止すると、燃料電池スタックの電極内に反応ガスが残留した状態となる。

そのため、燃料電池システムの発電を再開するときに、電極内に残留した反応ガスを掃気する等の処理が必要となって反応ガスが無駄になり、燃料電池装置の発電運転の効率が低下するという不都合がある。

そこで、本発明は、燃料電池システムを商用電源と連係して作動させるときに、燃料電池システムの発電が停止されることを抑制した燃料電池システムを提供することを目的とする。

本発明は上記目的を達成するためになされたものであり、原燃料を改質して改質ガスを生成する改質装置と、前記改質ガスと酸化剤ガスの供給を受けて、発電運転により直流電圧を出力する燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックから出力される直流電圧を交流電圧に変換して出力するインバータと、前記インバータの出力部と並列に接続された交流の商用電源の電圧を検出する電圧検出手段と、前記燃料電池スタックの発電運転中に、前記商用電源の電圧が前記商用電源の規定電圧範囲の中央値から上限値までの範囲内で設定された第１判定値を超えた状態が、所定時間以上継続したときに、前記改質装置に供給する原料ガスの量を減少させる出力低下処理を実行する運転制御手段とを備えたことを特徴とする。

かかる本発明によれば、前記燃料電池スタックを発電運転させて前記インバータから負荷に交流電力を供給するときに、前記燃料電池スタックの供給電力に余裕があるときには、前記インバータの出力電圧が前記商用電源の電圧よりも高くなり、燃料電池システムから商用電源に電力が供給される状態（逆潮流状態）となる。

そして、前記運転制御手段は、前記燃料電池スタックの発電運転中に、前記商用電源の電圧が前記第１判定電圧を超えているときは、前記改質装置に供給する原料ガスの量を減少させる出力低下処理を実行する。このように、前記改質装置に供給する原料ガスの量を減少させることで、前記燃料電池スタックの発電量が減少して、前記インバータの出力電圧が低下する。そのため、前記インバータの出力電圧が前記商用電源の前記規定電圧範囲の上限を超えて、前記燃料電池スタックの発電が直ちに停止されることを抑制することができる。

また、前記運転制御手段は、前記所定燃料電池スタックの発電運転中に、前記商用電源の電圧が、前記商用電源の規定電圧範囲の下限値よりも高く、且つ、前記第１判定値よりも低い範囲で設定された第２判定値よりも低くなったときに、前記改質装置に供給する原料ガスの量を増加させる出力上昇処理を実行することを特徴とする。

かかる本発明によれば、前記商用電源の電圧が前記第２判定電圧以下であるときに、前記改質装置に供給する原料ガスの量を増加させることにより、前記燃料電池スタックの発電量を増加させて、前記インバータの出力電圧を上昇させることができる。そして、これにより、燃料電池システムから前記商用電源への電力供給量を増加させることができる。

本発明の燃料電池システムの全体構成図。燃料電池システムと商用電源の電圧の変動例を示した説明図。商用電源の電圧監視のフローチャート。燃料電池システムの出力制御のフローチャート。

本発明の実施形態の一例について、図１〜４を参照して説明する。図１を参照して、本実施形態の燃料電池システム１は、炭化水素を主体とする原燃料（都市ガス等）と水蒸気との混合燃料を改質して改質ガスを生成する改質装置１１、改質装置１１から供給される改質ガスとブロワ（図示しない）から供給される空気（酸化剤ガス）との酸化還元反応により発電を行う燃料電池スタック１２、燃料電池スタック１２から出力される直流電圧を交流電圧に変換するインバータ１３、商用電源２から供給される交流電力の電圧（Ｖac）を検出する電圧センサ１４（本発明の電圧検出手段に相当する）、及び、燃料電池システム１の全体的な制御を行うコントローラ１５を備えている。

改質装置１１は、原燃料に含まれるメタン（ＣＨ_４）、エタン（Ｃ_２Ｈ_６）、プロパン（Ｃ_３Ｈ_６）、ブタン（Ｃ_４Ｈ_１０）等の炭化水素を水蒸気改質することによって、水素リッチな改質ガスを生成する。

燃料電池スタック１２は、固体高分子電解質膜をアノード電極とカソード電極で挟んだ電解質膜・電極構造部を有し、この電解質膜・電極構造部をセパレータと交互に積層したスタックを構成している。この場合、電解質膜・電極構造部とセパレータの間にガス流路が形成される。

燃料電池スタック１２のアノード電極には改質装置１１で生成された改質ガスが供給され、カソード電極にはブロワ等により酸化剤ガスとして空気が供給される。そして、これにより、燃料電池スタック１２では、アノード電極で、以下の式（１）の反応が起こり、水素ガス（Ｈ_２）が電子ｅ⁻を放出して水素イオン（Ｈ^＋）となる。

Ｈ_２ → ２Ｈ^＋＋２ｅ⁻・・・・・ (1)
水素イオンは、固体高分子電解質膜中を透過し、カソード電極において、カソード入口から供給される空気中の酸素ガス（Ｏ_２）と、カソード電極に供給される電子ｅ⁻とにより、以下の式（２）の反応が起こって水が生成される。

１／２Ｏ_２＋２Ｈ^＋＋２ｅ⁻→ Ｈ_２Ｏ・・・・・ (2)
このようにして、燃料電池スタック１２で発電が行われ、燃料電池スタック１２からインバータ１３に直流電圧（Ｖfc）が出力される。インバータ１３は、燃料電池スタック１２の出力電圧Ｖfcを、商用電源２の規定電圧（交流電圧）に準じた交流電圧に変換する。

コントローラ１５は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、メモリ等により構成された電子回路ユニットである。このＣＰＵに燃料電池システム１の制御プログラムを実行させることによって、コントローラ１５は、燃料電池システム１の作動を制御する運転制御手段１６として機能する。

そして、コントローラ１５から出力される制御信号によって、改質装置１１、燃料電池スタック１２、及びインバータ１３の作動が制御される。また、電圧センサ１４による商用電源２の電圧（Ｖac）の検出信号が、コントローラ１５に入力される。

次に、図２（ａ）は、燃料電池システム１を定格運転（予め設定した出力電力の範囲での運転）をさせたときの燃料電池システム１の出力電圧（Ｖda）と商用電源２の電圧（Ｖac）の推移の例を、縦軸を電圧（Ｖ）に設定し、横軸を時間（ｔ）に設定して示したものである。図中Ｖcは商用電源２の規定電圧範囲の中央値、Ｖuは規定電圧範囲の上限値、Ｖlは規定電圧範囲の下限値を示している。

図２（ａ）の例は、電気負荷３での消費電力よりも燃料電池システム１の出力電力の方が多く、燃料電池システム１の出力電力の余剰分が商用電源２に供給されている状態（逆潮流状態）を示している。この場合は、燃料電池システム１の出力電圧（Ｖda）が商用電源２の電圧（Ｖac）よりも高くなっている。

ここで、燃料電池システム１が定格運転をしているときに、燃料電池システム１の出力電圧（Ｖda）が、商用電源２の規定電圧範囲の上限値Ｖuを超えたとき（図２（ａ）ではｔ₁₀〜ｔ₁₁、ｔ₁₄〜ｔ₁₅）には、燃料電池システム１の運転を直ちに停止して電気負荷３等を保護する必要がある。しかし、燃料電池システム１の運転を停止すると、燃料電池システム１の運転を再開する際に、燃料電池スタック１２のガス流路の掃気等を行う必要があるために、ある程度の時間を要する。また、この掃気により水素が無駄に排出される。

そこで、運転制御手段１６は、燃料電池システム１の運転中に図３，図４に示したフローチャートを実行して、燃料電池システム１の運転停止を回避するための制御を行う。

図３は商用電源２の電圧Ｖacを監視して、燃料電池スタック１２の出力（発電量）を低下させる必要があるか否かを判断するためのフローチャートである。運転制御手段１６は、ＳＴＥＰ１で、電圧センサ１４により検出される商用電源２の電圧Ｖacが、規定電圧範囲の中央値Ｖcから上限値Ｖuまでの範囲内で設定された第１判定電圧Ｖth1（Ｖc≦Ｖth1＜Ｖu）よりも高いか否かを判断する。そして、商用電源２の電圧Ｖacが第１判定電圧Ｖth1よりも高いときはＳＴＥＰ１０に分岐し、商用電源２の電圧Ｖacが第１判定電圧Ｖth1以下であるときにはＳＴＥＰ２に進む。

ＳＴＥＰ２で、運転制御手段１６は、商用電源２の電圧Ｖacが、規定電圧範囲の下限値Ｖlよりも高く第１判定電圧Ｖth1よりも低い範囲内で設定された第２判定電圧Ｖth2（Ｖl＜Ｖth2＜Ｖth1）よりも低いか否かを判断する。

そして、商用電源２の電圧Ｖacが第２判定電圧Ｖth2以上であるときは、商用電源２の電圧Ｖacが規定電圧範囲内の中央値付近であり（Ｖth2＜Ｖac＜Ｖth1）、燃料電池スタック１２の出力を低下させる必要がないと判断できる。そのため、ＳＴＥＰ３に進んで、運転制御手段１６は燃料電池スタック１２を現状の運転状態に維持する。

一方、ＳＴＥＰ２で、商用電源２の電圧Ｖacが第２判定値Ｖth2よりも低いときには、商用電源２の供給電力が不足していると判断できる。そのため、ＳＴＥＰ１１に分岐し、運転制御手段１６は、後述する図４のフローチャートの処理で燃料電池スタック１２の出力低下を指示するための出力低下フラグをＯＦＦする。

また、運転制御手段１６は、ＳＴＥＰ１０で、商用電源２の電圧Ｖacが第１判定値Ｖth1よりも高い状態が、所定時間以上継続しているか否かを判断する。ここで、商用電源２の電圧Ｖacが第１判定値Ｖth1よりも高い状態が所定時間以上継続しているときに、燃料電池スタック１２を定格運転させて燃料電池スタック１２から商用電源２側に電力供給（逆潮流）しようとすると、燃料電池スタック１２の電圧Ｖdaが上昇して商用電源２の規定電圧範囲の上限値Ｖuを超え、燃料電池スタック１２の出力を直ちに停止しなければならない状況となるおそれがある。そこで、この場合は、ＳＴＥＰ１０からＳＴＥＰ２０に分岐し、運転制御手段１６は、出力低下フラグをＯＮ（セット）する。

一方、ＳＴＥＰ１０で、商用電源２の電圧Ｖacが第１判定値Ｖth1よりも高い状態が所定時間以上継続してないときには、ＳＴＥＰ３に進み、運転制御手段１６は、出力低下フラグの設定を変更しない。

図３のフローチャートの処理によれば、ＳＴＥＰ１０で商用電源２の電圧Ｖacが第１判定値Ｖth1よりも高い状態が所定時間継続したときに、ＳＴＥＰ１０で出力低下フラグがＯＮされ、その後、ＳＴＥＰ２で商用電源２の電圧Ｖacが第２判定値Ｖth2（＜Ｖth1）よりも低くなったときに、ＳＴＥＰ１１で出力低下フラグがＯＦＦされる。

このように、出力低下フラグのＯＮ条件である第１判定値Ｖth1と、出力低下フラグのＯＦＦ条件である第２判定値Ｖth2との間に幅を持たせることによって、出力低下フラグのＯＮ／ＯＦＦが頻繁に切り換わって、燃料電池スタック１２の出力の上昇と低下が繰り返されないようにしている。

次に、図４は、商用電源２の電圧Ｖacと、図３のフローチャートの処理により設定された出力低下フラグの状態（ＯＮ／ＯＦＦ）に応じて、燃料電池スタック１２の出力を制御するためのフローチャートである。

運転制御手段１６は、ＳＴＥＰ５０で、商用電源２の電圧Ｖacが規定電圧範囲の上限値Ｖuを超えているか否かを判断する。そして、商用電源２の電圧Ｖacが規定電圧範囲の上限値Ｖuを超えているときはＳＴＥＰ６０に分岐し、運転制御手段１６は、燃料電池スタック１２の出力停止処理（改質装置１１への原燃料の供給を停止して、発電運転を停止する処理）を行う。

一方、商用電源２の電圧Ｖacが規定電圧範囲の上限値Ｖu以下であるときにはＳＴＥＰ５１に進み、運転制御手段１６は、出力低下フラグがＯＮされているか否かを判断する。そして、出力低下フラグがＯＮされているときはＳＴＥＰ７０に分岐し、運転制御手段１６は、燃料電池スタック１２の出力が下限となっているか否かを判断する。

ＳＴＥＰ７０で、燃料電池スタック１２の出力が下限となっていなければＳＴＥＰ７１に進み、運転制御手段１６は燃料電池スタック１２の出力低下処理（改質装置１１への原燃料の供給量を減少させて、発電量を減少させる処理）を行う。

これにより、燃料電池システム１の出力電圧Ｖdaが低下するため、燃料電池システム１の出力電圧Ｖdaが商用電源２の規定電圧範囲の上限Ｖuを超えて、燃料電池スタック１２の出力を直ちに停止しなけらればならない状況となることを防止することができる。そして、ＳＴＥＰ５４に進み、運転制御手段１６は処理を終了する。

また、ＳＴＥＰ７０で、燃料電池スタック１２の出力が既に下限となっているときには、これ以上燃料電池スタック１２の出力を減少させることができないため、ＳＴＥＰ５４に進んで、運転制御手段１６は処理を終了する。

次に、ＳＴＥＰ５１で出力低下フラグがＯＮされていないときには、ＳＴＥＰ５２に進み、運転制御手段１６は、燃料電池スタック１２の出力が定格であるか否かを判断する。そして、燃料電池スタック１２の出力が定格（定格運転中）でないときはＳＴＥＰ５３に進み、運転制御手段１６は、運転制御手段１６は、改質装置１１への原燃料の供給量を増加させて、燃料電池スタック１２の発電量を増加させる。これにより、燃料電池システム１の出力電圧Ｖdaが上昇する（出力上昇処理）。そして、ＳＴＥＰ５４に進み、運転制御手段１６は処理を終了する。

一方、ＳＴＥＰ５２で燃料電池スタック１２の出力が定格（定格運転中）であったときにはＳＴＥＰ５４に分岐し、運転制御手段１６は、燃料電池スタック１２の出力を定格に維持して処理を終了する。

図２（ｂ）は、上述した図２（ａ）と同様に商用電源２の電圧Ｖacが変動したときに、図３，４のフローチャートによる処理を実行したときの燃料電池システム１の出力電圧Ｖacの変化を示したものである。図２（ｂ）において、Ｖda'は図３，４のフローチャートによる処理を実行しない場合の燃料電池システム１の出力電圧の変化を示している。

図２（ｂ）では、ｔ₂₀で商用電源２の電圧Ｖacが第１判定電圧Ｖth1を超えた状態となり、この状態の所定時間以上の継続により、運転制御手段１６は「出力低下処理」（図４のＳＴＥＰ７１）を開始する。この「出力低下処理」により、燃料電池システム１の出力電圧Ｖdaが低下し、燃料電池システム１の出力電圧Ｖdaが、商用電源２の規定電圧の上限値Ｖuを超えることを防止することができる。

続くｔ₂₁で商用電源２の電圧Ｖacが第１判定電圧Ｖth1以下になり、ｔ₂₂で商用電源２の電圧Ｖacが第２判定電圧Ｖth2よりも低くなった時に、運転制御手段１６は「出力低下処理」を終了して「出力上昇処理」（図４のＳＴＥＰ５３）を開始する。これにより、燃料電池システム１の出力電圧Ｖdaは、時間遅れを伴なって上昇に転じる。

そして、ｔ₂₃で商用電源２の電圧Ｖacが第１判定電圧Ｖth1を超えた状態となり、この状態の所定時間以上の継続により、運転制御手段１６は「出力低下処理」を開始する。続くｔ₂₄で商用電源２の電圧Ｖacが第１判定電圧Ｖth1以下になり、ｔ₂₅で商用電源２の電圧Ｖacが第２判定電圧Ｖth2よりも低くなった時に、運転制御手段１６は「出力低下処理」を終了して「出力上昇処理」を開始する。

このように、図４に示したフローチャートによる「出力低下処理」を実行することによって、図２（ｂ）に示したように、燃料電池システム１の出力電圧Ｖdaが、商用電源２の規定電圧範囲の上限値Ｖuを超えることを抑制することができる。そのため、燃料電池システム１の出力電圧Ｖdaが、商用電源２の規定電圧範囲の上限値Ｖuを超えて、燃料電池スタック１２の発電を停止する状況となることを回避することができる。

また、図４に示したフローチャートによる「出力上昇処理」を実行して、燃料電池スタック１２を定格運転することによって、図２（ｂ）に示したように、燃料電池システム１の出力電圧Ｖdaと商用電源２の出力電圧Ｖacとの差を拡大させて、燃料電池システム１から商用電源２への電力供給量を増加させることができる。

なお、本実施の形態では、運転制御手段１６は、図４のフローチャートにより、「出力低下処理」と「出力上昇処理」を行ったが、「出力低下処理」のみを行う場合であっても、本発明の効果を得ることができる。

１…燃料電池システム、２…商用電源、３…電気負荷、１１…改質装置、１２…燃料電池スタック、１３…インバータ、１４…電圧センサ、１５…コントローラ、１６…運転制御手段。

Claims

原燃料を改質して改質ガスを生成する改質装置と、
前記改質ガスと酸化剤ガスの供給を受けて、発電運転により直流電圧を出力する燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックから出力される直流電圧を交流電圧に変換して出力するインバータと、
前記インバータの出力部と並列に接続された交流の商用電源の電圧を検出する電圧検出手段と、
前記燃料電池スタックの発電運転中に、前記商用電源の電圧が前記商用電源の規定電圧範囲の中央値から上限値までの範囲内で設定された第１判定値を超えた状態が、所定時間以上継続したときに、前記改質装置に供給する原料ガスの量を減少させる出力低下処理を実行する運転制御手段とを備えたことを特徴とする燃料電池システム。
請求項１記載の燃料電池システムにおいて、
前記運転制御手段は、前記所定燃料電池スタックの発電運転中に、前記商用電源の電圧が、前記商用電源の規定電圧範囲の下限値よりも高く、且つ、前記第１判定値よりも低い範囲で設定された第２判定値よりも低くなったときに、前記改質装置に供給する原料ガスの量を増加させる出力上昇処理を実行することを特徴とする燃料電池システム。