JP2014071998A

JP2014071998A - 燃料電池

Info

Publication number: JP2014071998A
Application number: JP2012216114A
Authority: JP
Inventors: Yoshihide Nakajima; 良秀中嶋; Koji Kimura; 孝次木村; Yoshihiko Tanaka; 良彦田中; Takanobu Kaneshiro; 貴信金城; Yoshiyuki Fujii; 善行藤井; Hirosuke Motoshita; 裕亮本下
Original assignee: Noritz Corp
Current assignee: Noritz Corp
Priority date: 2012-09-28
Filing date: 2012-09-28
Publication date: 2014-04-21

Abstract

【課題】セルスタックが劣化することで定格範囲内の使用電力状態であってもパワコンの最低入力電圧未満となることによる解列と並列とを繰り返すという不安定な状態を回避し、劣化した状態でも安定して電力供給することができる燃料電池を提供する。
【解決手段】燃料電池１の制御部１３に、指令電流上限値を記憶する指令電流上限値記憶手段と上限値更新手段とを設け、指令電流上限値記憶手段に記憶された指令電流上限値を超えないように指令電流値を設定するようにするとともに、パワコン３が解列を行うほど発電電力の電圧が降下すると記憶されている指令電流上限値を下方修正する。
【選択図】図１

Description

本発明は、商用電力系統に系統連系する発電システム用の燃料電池に関する。

従来の家庭用燃料電池発電システムは、燃料電池によって発電された直流電力をパワーコンディショナー（以下、「パワコン」という。）によって商用電力系統に系統連系する交流電力に変換して出力するように構成されている。出力電力の安定化や燃料電池の保護等の目的のためにパワコンには所定の運転可能入力電圧範囲が設定されており、燃料電池からの入力電圧がこの範囲を逸脱すると系統から燃料電池を解列するように構成されている（例えば、特許文献１参照）。

また、燃料電池セルスタックは、長年の使用によって徐々に劣化していくことはよく知られており（例えば、特許文献２，３参照）、燃料電池セルスタックの劣化に伴い、内部抵抗の増加により発電電圧も徐々に低下していく。

特開２０１０−２５１１６５号公報特開２０１２−３８５０号公報特開２００４−２６５６７１号公報

図４は、燃料電池セルスタックの劣化前後の燃料電池のＶＩ特性を示しており、新品時にはＶＩ特性曲線は、パワコンの最低入力電圧よりも高い電圧で指令電流値に応じて変動する。しかし、長年使用していると、セルスタックの劣化により徐々にＶＩ特性の電圧降下が生じ、終には出力増加のための指令電流値を徐々に増加していく過程で定格出力が得られる前に燃料電池の出力電圧がパワコンの最低入力電圧未満となり、パワコンが燃料電池を系統から解列してしまう。解列すると出力電流がなくなるために電圧が最低入力電圧以上まで一旦回復するが、これによりパワコンが燃料電池を系統に並列すると再び燃料電池の出力電圧がパワコンの最低入力電圧未満となって再度解列してしまうという動作を繰り返し、安定した電力供給を受けられなくなるという問題があった。

そこで、本発明は、燃料電池セルスタックが劣化することで定格範囲内の使用電力状態であってもパワコンの最低入力電圧未満となることによる解列と並列とを繰り返すという不安定な状態を回避し、劣化した状態でも安定して電力供給することができる燃料電池を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、次の技術的手段を講じた。

即ち、本発明は、発電電力を商用電力系統に系統連系する交流電力に変換するとともに前記発電電力の電圧が所定の最低電圧未満になると解列を行うパワーコンディショナに前記発電電力を出力する燃料電池であって、燃料電池セルスタックと制御部とを備え、該制御部は、指令電流値を設定する指令電流設定手段を備えるとともに、前記発電電力の電流値が前記指令電流値となるように前記燃料電池セルスタックへの燃料供給を制御する燃料電池において、前記制御部は、指令電流上限値を記憶する指令電流上限値記憶手段と上限値更新手段とをさらに備え、前記指令電流設定手段は、指令電流上限値記憶手段に記憶された指令電流上限値を超えないように指令電流値を設定し、前記上限値更新手段は、発電電力の電圧が所定の電圧未満になったとき、若しくは、発電電力の電圧が前記所定の最低電圧未満になったことによる解列発生時に、記憶されている指令電流上限値を下方修正するように構成されていることを特徴とするものである（請求項１）。

かかる本発明の燃料電池によれば、指令電流上限値としては例えば新品時のＶＩ特性に基づいて定格電力に対応する指令電流値を設定しておき、自立的な出力制御若しくはパワコンその他の外部機器からの電力要求に基づく出力制御を行うために、指令電流設定手段によって指令電流上限値を超えない範囲で指令電流値が随時設定され、設定された指令電流値に基づいて制御部が燃料電池セルスタックへの燃料供給を制御することにより発電電力の電流値が指令電流値となるように出力制御する。燃料電池セルスタックの劣化によって、定格電力未満でも発電電力の電圧が所定の電圧未満になったとき、若しくは、発電電力の電圧が前記所定の最低電圧未満になったことによる解列が発生したときには、指令電流上限値更新手段が、記憶されている指令電流上限値を下方修正することによって、解列と並列とが繰り返されてしまうことを回避できる。

また、指令電流上限値の下方修正の具体的内容は適宜のものであってよく、解列発生時などに所定量ずつ指令電流上限値を減算するものであってもよいし、系統連系時に動作確認がとれている値に指令電流上限値を設定するものであってもよいし、解列直前の指令電流値を指令電流上限値として設定するものであってもよい。

また、「発電電力の電圧が所定の電圧未満になったとき」とは、例えば、燃料電池内に設けた電圧センサによって発電電力（出力電力）の電圧がパワコンの最低入力電圧に近い電圧となったことを検出したときなどであり、必ずしもパワコンが解列動作を行ったときに限定されない。これによれば、解列発生前に事前に指令電流上限値を下方修正しておくことによって解列発生頻度を一層低減できる。

また、「発電電力の電圧が前記所定の最低電圧未満になったことによる解列発生」の判定は、燃料電池の出力電力の電圧や電流の変動に基づいて制御部が自立的に行う構成とすることもできるし、また、解列発生時にパワコンが所定の信号を燃料電池の制御部に送信するようにパワコンを構成しておき、かかる所定の信号を受信したことに基づいて制御部が判定するように構成してもよい。

上記本発明の燃料電池において、前記制御部は、系統連系時に前記指令電流設定手段により設定されている指令電流値を動作保証値として記憶する動作保証値記憶手段をさらに備え、前記指令電流上限値の下方修正は、前記動作保証値記憶手段に記憶された動作保証値に基づく値に指令電流上限値を更新することにより行うように構成することができる（請求項２）。これによれば、指令電流上限値の下方修正を、予め動作保証が確認されている動作保証値に基づく値に指令電流上限値を設定することにより行うことで、指令電流値の下げ幅が不足して短時間の間に何度も解列と並列とを繰り返してしまうことを防止でき、１回の下方修正によって安定した電力供給を行えるようになる。なお、「動作保証値に基づく値」とは、動作保証値自体であってもよいし、より安全を期して動作保証値より所定量小さな値とすることもできる。

また、前記指令電流上限値の下方修正は、前記指令電流設定手段により設定されている指令電流値に基づく値に指令電流上限値を更新することにより行うように構成することもできる（請求項３）。これによれば、燃料電池の発電動作中は随時指令電流設定手段によって指令電流値が更新されているが、発電電力の電圧が所定の電圧未満になったとき、若しくは、発電電力の電圧が所定の最低電圧未満になったことによる解列発生時に、その直前の指令電流値に基づく値、例えば、当該指令電流値より所定量小さな値を指令電流上限値として設定することによって、解列と並列とを繰り返してしまうことを防止できる。

以上説明したように、本発明の請求項１に係る燃料電池によれば、燃料電池セルスタックの劣化によって、定格電力未満でも発電電力の電圧が所定の最低電圧未満になったとき、若しくは、発電電力の電圧が所定の最低電圧未満になったことによる解列が発生したときには、指令電流上限値更新手段が、記憶されている指令電流上限値を下方修正することによって、解列と並列とが繰り返されてしまうことを回避できる。

また、本発明の請求項２に係る燃料電池によれば、指令電流上限値の下方修正を、予め動作保証が確認されている動作保証値に基づく値に指令電流上限値を設定することにより行うことで、指令電流値の下げ幅が不足して短時間の間に何度も解列と並列とを繰り返してしまうことを防止でき、１回の下方修正によって安定した電力供給を行えるようになる。

また、本発明の請求項３に係る燃料電池によれば、燃料電池の発電動作中は随時指令電流設定手段によって指令電流値が更新されているが、発電電力の電圧が所定の電圧未満になったとき、若しくは、発電電力の電圧が所定の最低電圧未満になったことによる解列発生時に、その直前の指令電流値に基づく値、例えば、当該指令電流値より所定量小さな値を指令電流上限値として設定することによって、解列と並列とを繰り返してしまうことを防止できる。

本発明の一実施形態に係る燃料電池発電システムの概略ブロック図である。同発電システムの指令電流値設定の制御フローの一例を示すフローチャートである。同発電システムの指令電流値設定の制御フローの他の例を示すフローチャートである。燃料電池のＶＩ特性の経年劣化を示すグラフである。

以下、本発明の好適な実施形態を図面に基づいて説明する。

図１は本発明の一実施形態に係る燃料電池発電システムの概略構成を示しており、該システムは、燃料電池１と、燃料電池１の発電電力（出力電力）を商用電力系統２に系統連系する交流電力に変換するパワコン３とを備えており、系統に接続された家庭内負荷４に対して発電電力を供給可能に構成されている。

パワコン３は、燃料電池１で発電された直流電力を昇圧・安定化して出力するＤＣ／ＤＣコンバータ３１と、該コンバータ３１の出力をＤＣ／ＡＣ変換するインバータ３２と、解列器３３と、これらコンバータ３１・インバータ３２及び解列器３３を制御する制御部３４とを備えている。このパワコン３の制御部３４には、最低入力電圧及び最大入力電圧が設定されており、燃料電池１からの入力電力の電圧が最低入力電圧から最大入力電圧までの範囲を逸脱する場合には、解列器３３による解列を行うように構成されている。また、パワコン３は、燃料電池１の起動前は燃料電池１を系統から解列しており、燃料電池１の起動後に燃料電池１から供給される発電電力が最低入力電圧以上となれば燃料電池１を系統に並列するよう解列器３３を作動させる。

燃料電池１は、複数の燃料電池セルスタックによって構成される燃料電池モジュール１１と、該燃料電池モジュール１１を動作させるための補機１２と、電子制御装置やコンバータなどからなる制御部１３とを備えている。燃料電池モジュール１１は、例えば多数のＳＯＦＣセルスタックや改質器などを内蔵する固体酸化物型燃料電池モジュールを好適に採用できるが、ＰＥＦＣセルスタックを採用してもよく、また、改質器を外付けにしてもよい。補機１２には、一般的に、空気供給装置、燃料供給装置、純水供給装置及び排熱回収装置が含まれるが、本発明は補機の詳細構造や構成要素を特定のものに限定するものではない。

燃料電池１の制御部１３は、出力制御用の指令電流値を記憶する指令電流値記憶手段と、該指令電流値記憶手段に指令電流値を設定する指令電流設定手段と、発電電力（出力電力）の電流値が指令電流値となるように燃料電池モジュール１１への燃料供給を制御するように補機１２を制御する燃料供給制御手段と、指令電流上限値を記憶する指令電流上限値記憶手段と、該指令電流上限値記憶手段に記憶された指令電流上限値を更新するための上限値更新手段と、動作保証値記憶手段とを備えている。ハードウェア構成としては制御部１３はＣＰＵ及びメモリを有するマイコン等によって構成することができ、上記各手段はメモリに記憶されたデータやプログラムによって構成できる。なお、燃料供給制御手段については従来周知であるので詳細説明を省略するが、指令電流設定手段と並列に実行され、指令電流設定手段によって指令電流値が更新されれば即座に応答して燃料供給量を制御するように構成されている。

燃料電池モジュール１１としてＳＯＦＣセルスタックを採用する場合には、発電出力が定格出力付近で一定に保たれた状態で運転されるのが一般的であり、このような状態下においてはＳＯＦＣ内部の熱的バランスが保たれ、ＳＯＦＣの反応温度も一定温度に維持されるため発電効率が最適となる。したがって、制御部１３の指令電流設定手段は、燃料電池起動時には指令電流値として最小値（例えば１Ａ）を設定するとともに、指令電流上限値として図４の新品時のＶＩ特性に基づいて定格出力に対応する電流値（例えば７Ａ）を設定した上で、定格出力が得られるまで、すなわち発電電力の電流が指令電流上限値となるまで徐々に指令電流値を増加させていき、その後は指令電流値を指令電流上限値付近で一定に保つよう構成されている。また、パワコン３が過度な電力要求をしないように燃料電池１の制御部１３からパワコン３の制御部３４に対して現在の指令電流値を常時出力しており、パワコン３の制御部３４は、当該指令電流値に基づいてコンバータ３１及びインバータ３２を制御するよう構成されている。

図２は、制御部１３の指令電流設定手段の制御フローの一例を示し、燃料電池１を起動すると、まず指令電流上限値を新品時のＶＩ特性において定格出力に対応する値（７Ａ）に初期化するとともに（ステップＳ１）、指令電流値を最小値（１Ａ）に設定する。この時点で燃料供給制御手段によって燃料電池モジュール１１への燃料供給も開始されるが、ＳＯＦＣでは動作温度として所定の反応温度（７００℃〜１０００℃）が必要であるため、発電出力が開始されるまで待機する（ステップＳ２）。

発電出力が開始されると、出力電力がパワコン最低入力電圧を超えるためにパワコン３は燃料電池１を系統に並列させ、燃料電池１の発電電力を商用電力系統に系統連系する交流電力に変換して系統へ出力する。一方、指令電流設定手段は、パワコン３に出力される発電電力の電圧がパワコン３の最低入力電圧（例えば９０Ｖ）未満であるかを判定し（ステップＳ３）、発電電力の電圧が最低入力電圧以上であれば、次に発電出力を上昇させる制御中であるか否かを判定する（ステップＳ４）。これは、燃料電池１の運転停止指令がなされたときなどは指令電流値を徐々に下降させ（ステップＳ９）、通常運転継続時は発電出力を上昇させるためである。

出力上昇中であれば、メモリ内の所定領域によって構成される動作保証値記憶手段に、現時点の指令電流値を動作保証値として記憶し（ステップＳ５），指令電流値が指令電流上限値未満であれば（ステップＳ６）指令電流値を徐々に増加させ（ステップＳ７）、指令電流値が指令電流上限値に至っていれば指令電流値を指令電流上限値に維持し（ステップＳ８）て定格出力の発電電力が得られることとなる。

そして、運転停止指令がなされ発電出力が所定値未満となるなど所定条件を満たせば発電が終了したものとして運転を停止し（ステップＳ１３）、運転継続中は上記ステップＳ３に戻る。ステップＳ３において、指令電流値を徐々に上昇していく過程で、図４にも示すように燃料電池モジュール１１の劣化に起因して発電電力の電圧が９０Ｖ未満となって、パワコン３が燃料電池１を系統から解列したことを制御部１３が検出すると、指令電流値を最小値に設定するとともに（ステップＳ１０）、指令電流上限値として動作保証値記憶手段に記憶されている動作保証値を指令電流上限値記憶手段に記憶する（ステップＳ１１）。この動作保証値は、定格範囲内の使用電力状態での指令電流値であるから、図４に示す燃料電池のＶＩ特性上、初期値として設定された指令電流上限値より必ず小さい値となる。而して、上記ステップＳ１１を実行するプログラムによって記憶されている指令電流上限値を下方修正する上限値更新手段が構成されている。

この状態で発電電力の電圧が９０Ｖ以上に復帰するまで待機し（ステップＳ１２）、復帰すれば上記の通常制御へ戻り、再度指令電流値を徐々に上昇させていく。このとき、指令電流上限値が、動作確認がなされている動作保証値に更新されており、かかる動作保証値以上に指令電流値が増加することがないので、上限値更新後はさらに燃料電池モジュール１１の劣化が進行するまでは発電電圧がパワコン３の最低入力電圧未満となることはなく、本来の定格出力は得られないまでも、定格出力よりも少し低い発電出力で安定して燃料電池１を運転させることができ、燃料電池１の寿命を延ばすことが可能となる。さらに、燃料電池モジュール１１の劣化が一層進行してより小さな指令電流値で解列が生じると、さらに指令電流上限値が小さな値に再設定される。なお、上記の指令電流上限値の下方修正を行ったときは、定格出力が得られないほどに燃料電池モジュール１１の劣化が進行していることをユーザーに報知することが好ましい。

図３は、制御部１３の指令電流設定手段の制御フローの他の例を示しており、図２と同様の工程については詳細説明を省略し、異なる構成について説明する。図３に示す実施例では、動作保証値を記憶せず、また、解列発生の判定工程Ｓ３に代えて、発電電力の電圧が、パワコン３の最低入力電圧である９０Ｖに近い所定の電圧（図示例では９１Ｖ）まで降下したか否かの判定を行っている（ステップＳ３’）。また、ステップ１０の直前に指令電流値記憶手段に記憶されている指令電流値を指令電流上限値として指令電流上限値記憶手段に設定する（ステップＳ１４）とともに、ステップＳ１０においては直前の指令電流値に更新された上限値より所定量（図示例では１Ａ）小さな値を設定している。また、ステップＳ１２’では、ステップＳ１３の判定基準に対応して、発電電圧が９１Ｖを超えるまで待機するようにしている。かかる実施例によれば、パワコン３の最低入力電圧である９０Ｖに至る前に指令電流上限値の更新を行うことによって、発電電圧がパワコン３の最低入力電圧未満となることによる解列発生を未然防止することができるとともに、動作保証値記憶手段が不要であるためより少ないメモリ資源で制御部１３を構成できる。

本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、適宜設計変更できる。例えば、指令電流設定手段は、外部からの要求電力に応じて指令電流値をＶＩ特性に基づいて設定するものであってもよく、また、燃料電池モジュールの劣化に応じて指令電流値を求めるためのＶＩ特性を補正する制御を追加することも可能である。また、上限値更新手段により指令電流上限値を更新する際、直前の指令電流値などに基づいて更新するのではなく、指令電流上限値記憶手段に記憶されている値から所定量（例えば５００ｍＡや１Ａなど）だけ減算することによって下方修正してもよく、また、直前の指令電流値に基づいて更新する場合には、直前の指令電流値自体を新たな指令電流上限値として記憶してもよく、直前の指令電流値より所定量少ない値を指令電流上限値として記憶してもよい。

１燃料電池
１１燃料電池モジュール（燃料電池セルスタック）
１３制御部
２商用電力系統
３パワーコンディショナ

Claims

発電電力を商用電力系統に系統連系する交流電力に変換するとともに前記発電電力の電圧が所定の最低電圧未満になると解列を行うパワーコンディショナに前記発電電力を出力する燃料電池であって、
燃料電池セルスタックと制御部とを備え、該制御部は、指令電流値を設定する指令電流設定手段を備えるとともに、前記発電電力の電流値が前記指令電流値となるように前記燃料電池セルスタックへの燃料供給を制御する燃料電池において、
前記制御部は、指令電流上限値を記憶する指令電流上限値記憶手段と上限値更新手段とをさらに備え、前記指令電流設定手段は、指令電流上限値記憶手段に記憶された指令電流上限値を超えないように指令電流値を設定し、
前記上限値更新手段は、発電電力の電圧が所定の電圧未満になったとき、若しくは、発電電力の電圧が前記所定の最低電圧未満になったことによる解列発生時に、記憶されている指令電流上限値を下方修正するように構成されていることを特徴とする燃料電池。
請求項１に記載の燃料電池において、前記制御部は、系統連系時に前記指令電流設定手段により設定されている指令電流値を動作保証値として記憶する動作保証値記憶手段をさらに備え、前記指令電流上限値の下方修正は、前記動作保証値記憶手段に記憶された動作保証値に基づく値に指令電流上限値を更新することにより行うように構成されていることを特徴とする燃料電池。
請求項１に記載の燃料電池において、前記指令電流上限値の下方修正は、前記指令電流設定手段により設定されている指令電流値に基づく値に指令電流上限値を更新することにより行うように構成されていることを特徴とする燃料電池。