JP2012533146A - 燃料電池スタックの改善された制御性のための方法および装置 - Google Patents

Abstract

本発明の目的は、燃料電池により電気を生産するための燃料電池システムの電流値を調整する装置を調整するための装置であり、燃料電池システム内の各燃料電池はアノード側１００と、カソード側１０２と、アノード側とカソード側との間の電解質材料１０４とを有し、燃料電池システムは少なくとも２つの電気的に直列接続された個別の燃料電池スタックまたはスタックのグループを有し、各スタック１０３は少なくとも１つの燃料電池を有する。燃料電池システムの電流値を調整する装置は、電流の主要部分を少なくとも１つの直列接続から引き込むための手段と、直列接続内の個別の燃料電池スタックまたはスタックのグループの電流値を調整するための少なくとも１つの調整回路１１２と、電流の主要部分と比べて小さい補償電流が少なくとも１つの調整回路を経由して通るように構成するために、少なくとも１つの調整回路を個々の燃料電池スタックまたはスタックのグループと一体にするための一体化手段１１６、１２４と、を有し、少なくとも１つの調整回路１１２は、少なくとも１つの燃料電池スタック１０３内の小さい補償電流を制御する手段を有する。

Description

特に環境問題のために、環境に優しく優れた効率を有する新しいエネルギ源が開発されている。燃料電池装置は、それを用いて燃料、例えばバイオガスが直接化学反応を介して環境に優しいプロセスで電気に変換される、将来有望なエネルギ変換装置である。

図１に示されるように、燃料電池は、アノード側１００とカソード側１０２とそれらの間の電解質材料１０４とを有する。固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣｓ）では、酸素がカソード側１０２に送られるとともにカソードから電子を受け取ることにより酸素負イオンに還元される。酸素負イオンは電解質材料１０４を通ってアノード側１００に行き、そこで使用された燃料と反応して水および通常二酸化炭素（ＣＯ_２）を生成する。アノード１００とカソード１０２との間には、燃料電池に対する負荷１１０を有する外部電気回路１１１がある。

図２には、高温型燃料電池装置の例として、ＳＯＦＣ装置が示される。ＳＯＦＣ装置は、例えば天然ガス、バイオガス、メタノールまたは燃料としての炭化水素の混合物を含む他の化合物を利用することができる。図２のＳＯＦＣ装置システムは、１を超える、典型的には複数の燃料電池を、１つまたは複数のスタック構造１０３（ＳＯＦＣスタック）内に、有する。大きいＳＯＦＣ装置システムは、多数の燃料電池を幾つかのスタック１０３内に有する。各燃料電池は、図１に示されたように構築されるアノード１００およびカソード１０２を有する。使用された燃料の一部はフィードバック装置１０９内で再循環され得る。図２のＳＯＦＣ装置はまた、燃料熱交換器１０５および改質器１０７も有する。燃料熱交換器は燃料電池プロセス内の熱的条件を制御するために使用されるとともに、ＳＯＦＣ装置の異なる場所にそれらのうちの２つ以上を置くこともできる。循環するガスの余分な熱エネルギは、ＳＯＦＣ装置または外部で利用されるように、１つまたは複数の熱交換器１０５で回収される。改質器１０７は、例えば天然ガスのような燃料を、燃料電池に適した化合物、例えば、水素、メタン、二酸化炭素、一酸化炭素、不活性ガスおよび水の全てまたは少なくとも幾つかを含む化合物に変換する。しかし、各ＳＯＦＣに改質器を有する必要はない。

（例えば、燃料流量計、電流計および温度計等）測定手段１１５を使用することにより、ＳＯＦＣ装置の動作に必要な測定が実行される。アノード１００で使用されたガスの一部のみがフィードバック装置１０９で再循環されガスの他の部分はアノード１００から排出１１４される。

固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）装置は、燃料を酸化させることから電気を直接作り出す電気化学的変換装置である。ＳＯＦＣ装置の利点は、高効率、長期的な安定性、低エミッション、燃料の多様性およびコストを含む。主な不利な点は、長い起動時間と機械的および化学的両方の適合性の問題とをもたらす高い動作温度である。

燃料電池システムは、同程度のサイズの伝統的なエネルギ生産技術の電気的およびＣＨＰ（熱と電力の複合生産）効率を大幅に超える可能性を有する。燃料電池システムは、重要な将来のエネルギ生産技術として広く認められている。

燃料電池システムの性能および寿命を最大化するために、燃料電池に対する動作条件の正確な制御が必要とされる。燃料電池は直流電流を生成するのに対して、高電力システムでは一般的に交流出力が望まれ、したがって、ＤＣからＡＣへの電力変換が必要とされる。実際的な結合と、燃料電池からの電流収集とその後の電力変換を可能にするために、燃料電池は、幾つかの直列接続した個々の電池のスタックとして製造される。

幾つかのスタックを有する燃料電池システムでは、スタックの電気的な相互接続トポロジが重要な設計パラメータである。幾つかのスタックの直列接続は、部品の低いコストはもちろん、より低いケーブル配線および電力変換の損失をもたらす。しかし、直列の全てのスタックが同じ電流しか有さないことは妨げである。理想的には、全てのスタックが同一であるとともにその作動条件が完全に等しいとき、これは問題ではない。しかし、現実のシステムでは、温度、燃料流、スタックの特性に多少変動がある。特に、個々のスタックの交換を可能にするように設計されたシステムでは、年齢差のためにスタック間に有意の変動がある。異なるスタックが電気的に直列に配置されるとき、それらの電流は一般的に直列内の最低性能のスタックにしたがって制限されざるを得ない。したがって、燃料電池システムは、より健全なスタックの潜在性能を失う。

スタックの電気的な並列接続は、内部抵抗の固有の負の温度係数により、特に高温燃料電池システムにおいて問題がある。この特性は、幾つかの直列接続されたスタックの列が並列に接続されたときでさえ、不均等な電流分担を伴う問題を引き起こす。電流分担の問題を避けるために、各スタックの個別の変換器がしばしば用いられ、これはシステムに追加的なコストをもたらす。

特許文献１は、燃料電池が並列または直列に接続された生体触媒の燃料電池装置を示している。この装置は、生体触媒燃料電池装置の出力電圧を上昇させる物体として、スイッチが伝導状態におよび伝導状態から変えるように制御回路を使用することにより制御される、制御可能なスイッチを有する。いずれにしても、特許文献１は、その電流が直列の中で最低で機能するスタックにより制限されなければならない電気的に少なくとも直列に配置された異なるスタックの記載された問題の解決方法を示していない。なぜなら、特許文献１には、スタックが直接接続内のスタック間の相違する問題を避けるために個々に計測されるとともに調整され得る実施形態が示されていないからである。

フィンランド国特許第１１８５５３ Ｂ１号

本発明の目的は、燃料電池システム内の燃料電池スタックの負荷が能動的に最適化され得るとともに、各燃料電池の寿命が長くされることができ、したがって燃料電池システム全体の寿命がさらに大幅に長くされることができる、多くの燃料電池が直列に接続され得る燃料電池システムを実現することである。

これは、燃料電池により電気を生産するための燃料電池システムの電流値を調整する装置により達成され、燃料電池システム内の各燃料電池はアノード側と、カソード側と、アノード側とカソード側との間の電解質材料とを有し、燃料電池システムは少なくとも２つの電気的に直列接続された個別の燃料電池スタックまたはスタックのグループを有し、各スタックは少なくとも１つの燃料電池を有する。燃料電池システムの電流値を調整する装置は、電流の主要部分を少なくとも１つの直列接続から引き込むための手段と、直列接続内の個別の燃料電池スタックまたはスタックのグループの電流値を調整するための少なくとも１つの調整回路と、電流の主要部分と比べて小さい補償電流が少なくとも１つの調整回路を経由して通るように構成するために、少なくとも１つの調整回路を個々の燃料電池スタックまたはスタックのグループと一体にするための一体化手段と、を有し、少なくとも１つの調整回路は、少なくとも１つの燃料電池スタック内の小さい補償電流を制御する手段を有する。

本発明の中心はまた、燃料電池により電気を生産するための燃料電池システムの電流値を調整する方法である。この方法では、電流値の調整は、電流の主要部分を個別の燃料電池スタックまたはスタックのグループの少なくとも１つの直列接続から引き込むこと、電流の主要部分と比べて小さい補償電流が少なくとも１つの調整回路を経由して通るように構成するために、少なくとも１つの調整回路を個別の燃料電池スタックまたはスタックのグループと一体にすることにより直列接続内の個別の燃料電池スタックまたはスタックのグループの電流値を調整すること、および、少なくとも１つの一体にされた調整回路を利用することにより少なくとも１つの燃料電池スタック内の小さい補償電流を制御すること、により実現される。

本発明は、少なくとも１つの別の燃料電池スタックに少なくとも直列に接続された少なくとも１つの燃料電池スタックに一体にされた少なくとも１つの調整回路に基づき、この一体化は、少なくとも直列接続のスタック内の電流と比べて、小さい電流が少なくとも１つの調整回路を経由して通るように構成される。少なくとも１つの調整回路は、少なくとも１つの調整回路に一体化された、少なくとも１つの燃料電池スタックの電圧値または電流値を検知し、少なくとも１つの調整回路は、検知された電圧値または電流値に基づいて少なくとも１つの燃料電池スタックの電流値を調整するように構成される。

本発明の利点は、スタックの差異に起因してエネルギ生産能力を失うことなしに、幾つかの燃料電池を有し得る長い直列接続の燃料電池システムを経済的に作り上げることを可能にすることである。これらの燃料電池システムはまた長い期待寿命を有し、したがって、この発明により達成可能なコスト削減を増加させる。

図１は、単一の燃料電池を示す。 図２は、ＳＯＦＣ装置の例を示す。 図３は、本発明による好適な実施形態を示す。 図４は、調整回路の第１の好適な実装を示す。 図５は、調整回路の第２の好適な実装を示す。

本発明の目的は、直列および／または並列に接続されたグループ内のスタックの制限された電流調整機能を構成するための手段により、直列および並列に接続されたスタックの欠点を避けることである。この特徴は、燃料電池スタックに関して実質的に小さい電流調整回路の導入により可能となる。これらの調整回路は、制限された電流をスタックからまたはスタックへ引き込むまたは供給することを可能にし、このスタックは別のスタックに直列および／または並列に接続される。

図３は本発明による好適な実施形態を示す。この燃料電池装置では、燃料電池スタック１０３が直列に接続され、燃料電池スタック１０３のグループが並列に接続される。図３の例は直列接続の４つの燃料電池スタック１０３しか示していないが、直列接続のさらに多くの燃料電池スタックが有り得るとともに、直列接続されたスタック１０３のこのグループは直接接続されたスタックの１つまたは複数のほかのグループと並列に接続され得る。直列接続されたスタック１０３の電流は、スタック固有の電流調整回路１１２によりある範囲内に個別におよび能動的に制御される。この電流調整回路１１２は、補償電流を引き込むまたは供給する。好ましくは、各スタック１０３に対してまたは２つのスタックに対して、直列に接続されたスタックのグループ内の別のスタックに直列に接続されるスタックからまたはスタックに制限された電流を引き込むまたは供給することができる独自のスタック固有の電流調整回路１１２が配置される。言い換えると、好ましくは、各スタック１０３に対して、燃料電池を用いて電気を生産するためのプロセス内でのスタックの差異にもかかわらず、負荷状況を最適にするために少なくとも１つの調整回路１１２を各スタックに一体化することにより個別のおよび能動的な負荷制御が用意される。図３のこの装置はまた、コンバータ１２２、例えばＤＣ−ＡＣコンバータも有する。手段１２７、１２２は、スタック１０３の直列接続から電流の主要部分を引き込む。矢印１１７は、コンバータ１２２からの電力出力、例えばＤＣ−ＡＣコンバータからのＡＣ電力出力を示す。また、コンバート１２２として、例えばＤＣ−ＤＣコンバータも可能であり、その時出力電力１１７はＤＣ電力である。

調整回路１１２の構造および寸法は、多くのスタックを有する直列および／または並列に接続された構造内の各スタックに対して個別に最適な電流を調整することにより、スタック１０３間の差異を補償することができるようになる。本発明の好適な実施形態では、これは、例えば、公称スタック１０３電流の５−１０％の補償スケールを意味する。したがって、スタック電流が依然として主電流配線１２７を流れる一方で、このスタック電流に比べて、最大５−１０％の補償スケールの電流が調整回路１１２および関連する配線１１６を経由して通過する。補償スケールの電流値はしばしば、５−１０％の補償スケールの電流の最大値より小さい。調整回路１１２は双方向の電流の流れを可能にし得る。これは、補償スケールの電流値の主要経路の電流に対する効果が、スタック電流を平均の主要経路の電流値から例えば９０％−１１０％の間で変化させることを意味する。これらの変化はしばしば、例えば９７％−１０３％の間のより狭いスケールであり、補償スケールの電流の最大値はその時、平均の主要経路の電流値と比べて３％である。調整回路１１２はまた一方向の電流の流れに限定され得る。これは、補償スケールの電流値の主要経路の電流に対する効果が、スタック電流を平均の主要経路の電流値から例えば９０％−１００％、または１００％−１１０％の間で変化させることを意味する。

本発明により実施形態では、全燃料電池スタック電力のほんの一部しか調整回路１１２を通過しないので、調整回路への関連する配線はより小さくなり得るとともに調整回路の電力変換効率は、全体の効率を犠牲にすることなしに主要な電力経路のものより明らかに低くなり得る。これは、調整回路１１２および関連する配線１１６の低コストの実装を意味する。本発明の好適な実施形態では、調整回路１１２上のトポロジに依存する電圧は１つまたは２つのスタック１０３の電圧のみであるので、低い電圧および高周波数の構成部品が非常にコンパクトな回路をもたらすために使用され得る。調整回路１１２の燃料電池スタック１０３との一体化は一体化手段１１６、１２４を用いて達成される。この一体化手段１１６、１２４は、例えば、同じケーブル１１６および回路基板１２４を用いてスタックの電圧を計測するための既存の手段１２４を有し、したがってこの場合もコスト削減を達成する。計測するための手段、すなわち、燃料電池スタックの電圧を検知するための手段１２４は、各燃料電池スタックに好適な最適な電流に個々に調整するために、調整回路１１２により使用される制御信号を生成する。この一体化はまた、本発明による好適な実施形態が、本発明による実施形態を実行する際に計測および制御信号を中継するために燃料電池システム内の既存のデータ配線１１６を使用するように実現され得る。

調整回路１１２を実装するための数個の可能性がある。図４には、調整回路１１２の第１の好適な実装が示される。この調整回路１１２は、絶縁された高周波変圧器装置（例えば、フォワード、フライバック、プッシュプル、フルブリッジ装置）である。この装置は、一体化手段１２４として、絶縁段としてのＤＣ−ＤＣコンバータ１２３、制御可能なスイッチＳ、整流段としてのダイオードＤ、および主要電流配線１２７内の電流の主要部分と比べて小さい補償電流が調整回路１１２および関連する配線１１６を経由して通ることを可能にするように調整回路を個々に直列接続された燃料電池スタックに一体化するためにスイッチを制御するための制御手段１３１を有する。各燃料電池スタックの電圧は、制御信号を生成するために電圧値を検知するための手段により測定される。スイッチＳの開位置または閉位置への制御は、各燃料電池スタック１０３の電流を個々に調整するための各スイッチＳに好ましくは近くで関連付けられる制御手段１３１を用いて操作される。これはいわゆるスイッチＳの低レベル制御であり、制御手段１３１の電流設定点を提供するためのシステム制御装置１２０による個々に用意されたいわゆるスイッチＳの上位レベル制御があり得る。システム制御装置１２０は、例えばプログラマブルロジックコントローラ（ＰＬＣ）である。スイッチＳは、好ましくはバイポーラまたはＦＥＴトランジスタまたは何か他のトランジスタスイッチである。図４のこの装置はまた、ＤＣ−ＡＣコンバータ１２１を含む負荷回路に接続されるＤＣ−ＤＣコンバータ１２２も有する。手段１２７、１２１、１２２は、直列接続のスタック１０３から電流の主要部分を引き込む。

図５には、図５から見られる回路配置としての一体化手段１２４を有するように例として実装された非絶縁型カスケード接続配置を有する調整回路１１２の第２の好適な実装が示される。これらの一体化手段１２４は、コイルＬ、ダイオードＤと並列に接続するスイッチＳ、および個々の燃料電池スタックに並列に接続するコンデンサＣを有するが、コンデンサは必須ではない。これらの一体化手段により、調整回路は、主要電流配線１２７内の電流の主要部分と比べて、小さい補償電流が調整回路配線１１６を、この調整回路経由して通ることを可能にするために、直列接続された燃料電池スタックに個々に一体化される。各燃料電池スタックの電圧は、制御信号を生成するために電圧値を検知するための手段により測定される。例えばプログラマブルロジックコントローラ（ＰＬＣ）であるシステム制御装置１２０は、各燃料電池スタック１０３の電流を個々に調整するために、この制御信号をスイッチＳの開位置または閉位置への制御に用いる。スイッチＳは、好ましくはバイポーラまたはＦＥＴトランジスタまたは何か他のトランジスタスイッチである。図５のこの装置はまた、例えばＤＣ−ＡＣコンバータである、コンバータ１２２も有する。手段１２７、１２１は、直列接続のスタック１０３から電流の主要部分を引き込む。矢印１１７は、ＤＣ−ＡＣコンバータ１２２からのＡＣ電力出力を示す。

調整回路１１２はまた、調整電流が直接、例えば主電力コンバータ１２２の入力に注入されるトポロジを例えば有して実装され得る。調整回路１１２が双方向の電力の流れを可能にするので、調整回路を通る電流は最小レベルに位置され得る。これにより、配線ロスが低くなるとともに全ての主要電流経路に対して高電力変換効率が達成される。直列接続および個々のスタック１０３負荷の利点は、例えば不均等の燃料の流れおよび／またはエージング現象に対して補償するために個々にスタック電流を調整する可能性を有すると同時に主要電流経路および電力コンバータでの低損失を可能にすることにより組み合わされる。全電流の小さい変動しか調整回路１１２を通過しないので、本発明は低コストおよび回路のコンパクトな実装を可能にする。また、単一の電力コンバータ１２２が主な電力変換に使用され得る。並列接続の電流分担問題は、個々のスタックの電流を制御する可能性の結果ある程度軽減され得る。

システム制御装置１２０および制御手段１３１は、例えばプログラマブルプロセッサに基づいている異なる種類の類似のおよび／またはデジタルエレクトロニクスの実装を有し得る。制御手段１３１はまた、スイッチＳへの制御信号を生成するために電圧値および／または電流値を検知するための異なる種類の測定装置も有し得る。

記載されたＳＯＦＣはもちろん、本発明はＭＣＦＣ（溶融炭酸塩型燃料電池）および他の燃料電池も使用され得る。ＭＣＦＣは、多孔性の、化学的に不活性なセラミック基材に懸濁された溶融炭酸塩の混合物から構成された電解質を使用する高温燃料電池である。また、フィードバック装置が図２の例のＳＯＦＣ装置内に記載されているが、本発明が利用される燃料電池システムはフィードバック装置を有する必要がない。

本発明が、添付の図面および説明を参照して示されているが、本発明は決してこれらに限定されるものではなく、本発明は特許請求の範囲により許された範囲内の変形形態も対象である。

Claims (14)

1. 燃料電池により電気を生産するための燃料電池システムの電流値を調整する装置であって、前記燃料電池システム内の各前記燃料電池はアノード側と、カソード側と、前記アノード側と前記カソード側との間の電解質材料とを有し、前記燃料電池システムは少なくとも２つの電気的に直列接続された個別の燃料電池スタックまたはスタックのグループを有し、各前記スタックは少なくとも１つの前記燃料電池を有する、装置において、
   前記燃料電池システムの電流値を調整する装置は：
   −電流の主要部分を少なくとも１つの直列接続から引き込むための手段と、
   −前記直列接続内の前記個別の燃料電池スタックまたはスタックのグループの電流値を調整するための少なくとも１つの調整回路と、
   −前記電流の主要部分と比べて小さい補償電流が前記少なくとも１つの調整回路を経由して通るように構成するために、前記少なくとも１つの調整回路を前記個別の燃料電池スタックまたはスタックのグループと一体にするための一体化手段と、を有し、
   −前記少なくとも１つの調整回路は、前記少なくとも１つの燃料電池スタック内の前記小さい補償電流を制御する手段を有する、
   ことを特徴とする、装置。
2. 前記装置は、前記少なくとも１つの燃料電池スタックに電流を引き込むまたは供給することにより前記電流値を調整する前記調整回路を有する、ことを特徴とする、
   請求項１に記載の装置。
3. 前記装置は、少なくとも直列接続の前記スタックの電流値に比べて０−１０％のスケールである前記調整回路の電流値を発生させることにより、前記少なくとも１つの燃料電池スタックの前記電流値を調整する前記調整回路を有する、ことを特徴とする、
   請求項１に記載の装置。
4. 前記調整回路の電流値は、好ましくは、前記少なくとも直列接続の前記スタックの電流値に比べて０−３％のスケールである、ことを特徴とする、
   請求項３に記載の装置。
5. 前記装置は、前記少なくとも１つの調整回路の同じ配線および電圧を測定するための手段が使用する少なくとも１つの同じ回路基板を使用することにより、前記少なくとも１つの調整回路を、前記燃料電池スタックの前記電圧を測定するための手段と一体化するための前記一体化手段を有する、ことを特徴とする、
   請求項１に記載の装置。
6. 前記装置は、前記少なくとも１つの調整回路として、絶縁された高周波変圧器装置を有する、ことを特徴とする、
   請求項１に記載の装置。
7. 前記調整回路は、制御信号を生成する手段、開位置または閉位置に制御されるスイッチ、および各前記燃料電池スタックの電流を個々に調整するために前記スイッチを前記開位置または前記閉位置に制御する前記制御信号を利用することにより前記小さい補償電流を制御するための前記手段としての制御手段を有する、非絶縁型カスケード接続配置として実装される、ことを特徴とする、
   請求項１に記載の装置。
8. 燃料電池により電気を生産するための燃料電池システムの電流値を調整する方法であって、前記方法において、前記電流値の調整は：
   −電流の主要部分を個別の燃料電池スタックまたはスタックのグループの少なくとも１つの直列接続から引き込むこと、
   −前記電流の主要部分と比べて小さい補償電流が少なくとも１つの調整回路を経由して通るように構成するために、前記少なくとも１つの調整回路を前記個別の燃料電池スタックまたはスタックのグループと一体にすることにより前記直列接続内の前記個々の燃料電池スタックまたはスタックのグループの電流値を調整すること、および、
   −前記少なくとも１つの一体にされた調整回路を利用することにより前記少なくとも１つの燃料電池スタック内の前記小さい補償電流を制御すること、
   により達成される、ことを特徴とする方法。
9. 前記電流値は、前記少なくとも１つの燃料電池スタックに電流を引き込むまたは供給することにより調整される、ことを特徴とする、
   請求項８に記載の方法。
10. 前記電流値は、少なくとも直列接続の前記スタックの電流値に比べて０−１０％のスケールである前記調整回路の電流値を発生させることにより調整される、ことを特徴とする、
    請求項８に記載の方法。
11. 前記調整回路の電流値は、好ましくは、前記少なくとも直列接続の前記スタックの電流値に比べて０−３％のスケールである、ことを特徴とする、
    請求項１０に記載の方法。
12. 前記少なくとも１つの調整回路は、前記少なくとも１つの調整回路の同じ配線および電圧を測定するための手段が使用する少なくとも１つの同じ回路基板を使用することにより、前記燃料電池スタックの前記電圧を測定するための手段と一体化される、ことを特徴とする、
    請求項８に記載の方法。
13. 前記少なくとも１つの調整回路は、絶縁された高周波変圧器装置により実現される、ことを特徴とする、
    請求項８に記載の方法。
14. 前記方法において制御信号を生成され、スイッチが各前記燃料電池スタックの電流を個々に調整するために前記制御信号に基づいて開位置または閉位置に制御手段を利用することにより制御される、ことを特徴とする、
    請求項８に記載の方法。

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