JP2014197485A

JP2014197485A - 燃料電池システム

Info

Publication number: JP2014197485A
Application number: JP2013072728A
Authority: JP
Inventors: 樋口　種男; Taneo Higuchi; 種男樋口
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2013-03-29
Filing date: 2013-03-29
Publication date: 2014-10-16
Anticipated expiration: 2033-03-29
Also published as: JP6122326B2

Abstract

【課題】燃料電池の劣化の進行を抑制できる燃料電池システムを提供する。
【解決手段】電力変換システムは、負荷からの要求交流電力が増加する際において、固体電解質形燃料電池の温度が設定温度よりも低い場合および固体電解質形燃料電池の劣化が設定以上進行している場合のうちのいずれかに該当すると、直流出力電圧の低下速度を小さくする。この場合、固体電解質形燃料電池に供給される燃料ガスの燃料利用率Ｕｆを下げることが望ましい。
【選択図】図４

Description

本発明は、固体電解質形燃料電池を有する燃料電池システムに関する。

従来、燃料電池からの直流電流を交流に変換する電力変換器と、各種供給ガスの流量を制御する流量演算制御部を一括制御するものがあり、このシステムでは、負荷指令値の急増を燃料電池の出力電流によって検知し、燃料電池の電流増加速度をあらかじめ上限値以下に保持する燃料電池システムが知られている。

ところで、燃料電池を構成する固体酸化物からなる固体電解質では、酸素イオンの授受により電位差が生じ、これにより電流が流れるが、燃料電池の電流増加速度を一定とし、電圧を変動させて電力を負荷に供給する燃料電池システムでは、常時、固体電解質間での酸素イオンの授受量が変動することになり、燃料電池が劣化し易いという問題があった。

そこで、従来、負荷からの要求電力に応じて燃料電池から電力を引き出す際に、負荷からの要求電力が変化するまでの間、燃料電池からの電圧の変化速度を一定にして燃料電池から電力を引き出すようにした燃料電池システムが知られている（特許文献１参照）。

特開２００８−８４７１５号公報

しかしながら、上記特許文献１では、負荷上昇時の電圧増加速度が一定であるため、燃料電池が劣化した場合や、燃料電池の動作温度が低い場合に燃料電池における固体電解質間での反応が激しくなり、燃料電池の劣化がさらに進行してしまうという問題があった。

本発明は、燃料電池の劣化の進行を抑制できる燃料電池システムを提供することを目的とする。

本発明の燃料電池システムは、直流電力を出力する固体電解質形燃料電池と、該固体電解質形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とともに、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固体電解質形燃料電池から直流電力を増加させる際に、前記燃料電池からの直流出力電圧の低下速度を一定にして前記固体電解質形燃料電池からの直流電力を増加させる燃料電池システムであって、前記電力変換システムは、前記負荷からの要求交流電力が増加する際において、前記固体電解質形燃料電池の温度が設定温度よりも低い場合および前記固体電解質形燃料電池の劣化が設定以上進行している場合のうちのいずれかに該当すると、前記直流出力電圧の低下速度を小さくすることを特徴とする。

本発明の燃料電池システムでは、前記電力変換システムは、負荷からの要求交流電力が増加する際において、固体電解質形燃料電池の温度が設定温度よりも低い場合および固体電解質形燃料電池の劣化が設定以上進行している場合のうちのいずれかに該当すると、直流出力電圧の低下速度を小さくするため、直流出力電圧の低下速度を小さくした状態で一
定にして固体電解質形燃料電池から直流電力を増加させることになり、固体電解質での反応が緩やかとなり、固体電解質形燃料電池のさらなる劣化の進行を抑制できる。

燃料電池システムを示すブロック図である。燃料電池モジュールの斜視図である。燃料電池モジュールの断面図である。燃料電池システムのフローチャートである。

図１は燃料電池システムを簡略化して示すブロック図である。燃料電池システムは、ガスを供給するガス供給システムと、固体電解質形燃料電池（以下、燃料電池ということがある）と、燃料電池から引き出される直流電流を読み取る直流電流センサと、直流電流センサからの電流によりガス供給システムへガス供給量の指令を出すガス演算制御部とを具備している。

また、燃料電池から電流を引き出し、交流電力として負荷に供給する電力変換システムと、系統（商用電源）から負荷に供給される電力を読み取る系統電力センサと、系統電力センサからの電力に相当する電力を燃料電池から引き出すように電力変換システムに指令を出す電力演算制御部とを具備している。

この燃料電池システムでは、ガス供給システムへガス供給量の指令を出すガス演算制御部と、電力変換センサに指令を出す電力演算制御部とを有しており、ガス供給システムと電力変換システムの制御が別個独立に行われる。

尚、電力変換システムは燃料電池から直流電力を引き出すが、燃料電池から直流電力を引き出す際に、燃料電池からの直流出力電圧の変化速度を一定にして燃料電池から直流電力を引き出し、その際の燃料電池の電流を直流電流センサは読み取るものである。以下、具体的に説明する。

（ガス供給システム）
ガス供給システムは燃料ガス供給部、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。ガス演算制御部もガス供給システム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）
図２は、燃料電池（モジュール）の一形態を示す外観斜視図である。燃料電池１は、直方体状の収納容器２の内部に、内部をガスが流通するガス流路を有する燃料電池セル３を立設させた状態で配列し、隣接する燃料電池セル３間に集電部材（図示せず）を介して電気的に直列に接続するとともに、燃料電池セル３の下端部をガラスシール材等の絶縁性接合材（図示せず）でマニホールド４に固定してなる２列のセルスタック５を収納して構成されている。また、図２においては、燃料電池セル３として、燃料電池セル３の内部に長さ方向ｙに設けられたガス流路を燃料ガスが流れる中空平板型で、支持基板の表面に、燃料側電極、固体電解質及び酸素側電極を順に設けてなる固体酸化物形燃料電池セル３を例示している。

また、燃料電池セル３にて使用する水素含有ガスを得るために、天然ガスや灯油等の燃料を改質して燃料ガス（水素含有ガス）を生成するためのＵ字状の改質器６をセルスタッ
ク５の上方に配置している。そして、改質器６で生成された燃料ガスは、ガス流通管７によりマニホールド４に供給され、マニホールド４を介して燃料電池セル３の内部に設けられたガス流路に供給される。これにより、セルスタック装置８が構成されている。燃料電池セル３のガス流路に供給され、発電に使用されなかった余剰の燃料ガスは、燃料電池セル３の上方に放出され、燃料電池セル３の外側に供給される酸素含有ガス（空気）と反応して燃焼する。

なお、図２においては、収納容器２の一部（前後面）を取り外し、内部に収納されているセルスタック装置８を後方に取り出した状態を示している。ここで、図１に示したモジュール１においては、セルスタック装置８を、収納容器２内にスライドして収納することが可能である。

図３は、図２で示す燃料電池１の断面図である。燃料電池１を構成する収納容器２は、内壁９と外壁１０を有する二重構造で、外壁１０により収納容器２の外枠が形成されるとともに、内壁９によりセルスタック５（セルスタック装置８）を収納する発電室１１が形成されている。

さらに燃料電池１においては、内壁９と外壁１０との間を、燃料電池セル３に導入する反応ガスの流路としており、例えば、燃料電池セル３に導入する酸素含有ガス等の反応ガスが流れる。燃料電池１の側面に位置する内壁９と外壁１０との間には、反応ガス流路の一部を仕切る複数の仕切部材９ａが配置されており、反応ガスがジグザグに流れ、排ガスとの熱交換効率を高めるように構成されている。

ここで内壁９には、内壁９の上面からセルスタック５の側面の側方にまで延び、セルスタック５を構成する燃料電池セル３の配列方向ｘにおける長さに対応し、内壁９と外壁１０とで形成される流路につながって、セルスタック５に反応ガスを導入するための板状の反応ガス導入部材１２が備えられている。また、反応ガス導入部材１２の下端部側（燃料電池セル３の下端部側）の両側には、燃料電池セル３の下端部に反応ガスを供給するための吹出口１３が設けられている。

なお、図３において、酸素含有ガス供給体１２は、互いに所定間隔を空けて並設された一対の板部材により酸素含有ガス供給体を形成し、下端部に底部材を接合して形成されている。また、図３においては、酸素含有ガス供給体１２は、収納容器２の内部に並置された２つのセルスタック５間に位置するように配置されている。なお、酸素含有ガス供給体１２は、収納されるセルスタック５の数により、例えばセルスタック５を２つの酸素含有ガス供給体１２で挟み込むように配置してもよい。

そして、酸素含有ガス供給体１２の内部に、温度センサ１４の測温部１５が位置するよう、温度センサ１４が収納容器２の上面側より挿入されている。なお、温度センサ１４としては、例えば熱電対を用いることができる。

ここで、燃料電池セル３は所定の温度範囲で運転されるため、発電室１１内（好ましくはセルスタック５もしくはその近傍）の温度を測定するとともに、その温度管理を行なうことが必要となる。特に燃料電池セル３が、固体酸化物形の燃料電池セル３の場合においては、その運転温度が非常に高く、燃料電池セル３（セルスタック５）の温度が過度に上昇すると発電量が低下し、さらには劣化や熱応力により燃料電池セル３（セルスタック５）に破損等を生じるおそれがあるため、セルスタック５近傍の温度を効果的に測定するとともに、その温度管理を行なうことが特に必要となる。それゆえ、温度センサ１４は、測温部１５がセルスタック５の最も高い温度となる中央部側（セルスタック５を構成する燃料電池セル３の配列方向ｘの中央部で、かつ燃料電池セル３の長さ（上下）方向ｙにおけ
る中央部に位置する部位）を測定できるように配置することが好ましい。

また発電室１１内には、燃料電池１内の熱が極端に放熱され、燃料電池セル３（セルスタック５）の温度が低下して発電量が低減しないようにするために、燃料電池１内の温度を高温に維持するための断熱部材１６が適宜設けられている。なお、断熱部材１６としては、絶縁性であり、かつ断熱効果を有しているものを使用することができる。

また、内壁９により形成される底面（内部底面）および燃料電池セル３の配列方向ｘに沿って形成された側面（内部側面）に対して所定間隔を空けて併設された排ガス用内壁１７により排ガス流路が形成され、さらに収納容器２の底部に設けられた排気孔１８と排ガス流路が通じている。燃料電池１の側面に位置する排ガス流路には、排ガス流路の一部を仕切るように複数の仕切部材１７ａが設けられており、排ガスがジグザグに流れ、酸素含有ガスとの熱交換効率を高めるように構成されている。

それにより、燃料電池１の稼動（起動処理時、発電時、停止処理時）に伴って生じる排ガスは、排ガス流路を流れた後、排気孔１８より排気される構成となっている。

なお、排気孔１８は収納容器２の底（底面）の一部を切り欠くようにして形成してもよく、また管状の部材を設けることにより形成してもよい。また、符号１９は、マニホールド４の下面に配置された容器側断熱材である。

（直流電流センサ）
直流電流センサは、燃料電池１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）
電力変換システムは、基本的には燃料電池１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）
系統電力センサは、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と称している。また系統電力センサは、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）
ガス演算制御部は、基本的に燃料電池１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、ガス演算制御部と称しているが、そのほかの燃料電池１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１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）
電力演算制御部は、系統電力センサ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１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１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１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。

以下、本発明の燃料電池システムについて、図４のフローチャートを基に説明する。先ず燃料電池システムに電源が投入されて、電力変換システムが起動する（ｎ−１）。次に初期状態では燃料電池の劣化が進行していないため、燃料電池劣化フラグを０にセットし、通常状態の制御を行う状態とする（ｎ−２）。その後、燃料電池が起動し温度が上昇して燃料電池が発電可能な状態となると、燃料電池の直流電力（出力ということもある）の制御を開始する。（ｎ−３）
次に、電力変換システムの説明を行う。

（ｎ−４）系統電力センサ電力読取
系統電力センサから電力を読み取る。

（ｎ−５）電力演算制御部交流出力演算
（ｎ−４）の系統電力センサからの電力に基づき、電力変換システムの交流出力の演算を行う。

（ｎ−６）燃料電池出力増加判定
（ｎ−５）の電力演算制御部交流出力演算に基づき、燃料電池の出力を増加させる場合は、（ｎ−７）に進み、燃料電池の出力を減少させるか、増加／減少を行わない場合は、それぞれに応じた出力制御が行われる。

（ｎ−７）燃料電池劣化フラグ判定
燃料電池の出力を増加させる場合、先ず、燃料電池の劣化フラグが０か１を判定する。なお、劣化フラグを１にセットするのは、後述するｎ−１３で行う。劣化フラグが１、すなわち、燃料電池が劣化していると判断されている場合は、燃料電池劣化フラグに１がセットされている。燃料電池が劣化しておらず、燃料電池劣化フラグ＝０の場合は、（ｎ−８）以降の処理を行う。また、燃料電池が劣化しており、燃料電池劣化フラグ＝１の場合、直流出力電圧（電圧ということもある）の低下速度を劣化抑制制御時の値である０．３Ｖ／ｓｅｃに設定して電力制御を行う（ｎ−１５）。電圧の低下速度を小さくすることで、固体電解質間での反応を抑えることができ、燃料電池の劣化を抑制することが可能となる。なお、負荷追従性は若干低下するものの、これに伴う系統電力使用量はごくわずかであり、一日の負荷変動の中では経済メリットへの影響は殆どない。

（ｎ−８）燃料電池動作温度判定
燃料電池の動作温度が設定値よりも低い場合、電圧の低下速度を劣化抑制制御時の値である０．３Ｖ／ｓｅｃとして電力制御を行う（ｎ−１５）。電圧の低下速度を小さくすることで、固体電解質間での反応を抑えることができ、燃料電池の劣化を抑制することが可能となる。また燃料電池の動作温度が設定値以上の場合は、（ｎ−９）以降の処理を行う。燃料電池の動作温度判定値については、例えば６００℃とすることができる。この燃料電池の動作温度は、燃料電池本来の発電性能を発揮できる温度として設定されている。

（ｎ−９）燃料電池動作温度判定
燃料電池の動作温度が設定値以上の場合、燃料電池の本来の性能が発揮できると考えられるため、それまで電圧の低下速度を劣化抑制制御時の０．３Ｖ／ｓｅｃで行っていた場合も、電圧の低下速度を通常時の制御定数である０．５Ｖ／ｓｅｃとし制御動作を行う（ｎ−１０）。燃料電池の動作温度が設定値未満であった場合、電圧の低下速度の変更は行わず、従来の制御定数のままとし、（ｎ−１１）以降の処理を行う。燃料電池の動作温度判定値については、例えば６３０℃とすることができる。

（ｎ−１１）燃料電池出力上昇速度判定
燃料電池の出力上昇時の出力上昇速度が設定値未満の場合、さらに燃料電池の動作温度判定を行い（ｎ−１２）、燃料電池の動作温度が設定値以上の場合は、燃料電池が経時劣化や損傷等で劣化していると考えられるため、燃料電池劣化フラグを１にセットし（ｎ−１３）、電圧の低下速度を劣化抑制制御時の０．３Ｖ／ｓｅｃとし制御動作を行う（ｎ−１５）。また、燃料電池の動作温度が設定値未満の場合は、燃料電池は劣化していないと考えられるため、燃料電池劣化フラグを変更せずに電圧の低下速度を劣化抑制制御時の０．３Ｖ／ｓｅｃとし制御動作を行う（ｎ−１５）。また、燃料電池出力上昇判定で出力上昇速度が設定値以上の場合、電圧の低下速度は通常時の制御定数である０．５Ｖ／ｓｅｃとし制御動作を行う（ｎ−１４）。（ｎ−１１）で判定する燃料電池の出力上昇時の出力上昇速度の設定値は、例えば２００Ｗ／ｍｉｎとすることができる。また、（ｎ−１２）で判定する燃料電池の動作温度の設定値は、例えば７００℃とすることができる。

（ｎ−１６）電力変換システム燃料電池出力制御
電力変換システムにより、燃料電池の出力制御を行う。出力制御時の電圧の低下速度は、ここまでに決定された制御定数に従い、出力増加制御を行う。

ここで、（ｎ−１５）の電圧の低下速度を小さくする場合には、燃料利用率Ｕｆを低下させることが望ましい。これにより、固体電解質の劣化をさらに抑制できる。なお、燃料利用率Ｕｆとは、投入した燃料ガスに対する実際に電気化学反応に寄与した燃料ガスの割合をいう。

さらに、電力変換システムは、負荷からの要求交流電力が増加する際において、燃料電池の温度が所定温度よりも低い場合、電圧の低下速度を小さくして燃料電池からの出力を増加させた後、燃料電池の温度が所定温度以上となった場合、電圧の低下速度を大きくするため、負荷追従性が向上できる。

１：燃料電池（固体電解質形燃料電池）

Claims

直流電力を出力する固体電解質形燃料電池と、該固体電解質形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とともに、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固体電解質形燃料電池から直流電力を増加させる際に、前記燃料電池からの直流出力電圧の低下速度を一定にして前記固体電解質形燃料電池からの直流電力を増加させる燃料電池システムであって、前記電力変換システムは、前記負荷からの要求交流電力が増加する際において、前記固体電解質形燃料電池の温度が設定温度よりも低い場合および前記固体電解質形燃料電池の劣化が設定以上進行している場合のうちのいずれかに該当すると、前記直流出力電圧の低下速度を小さくすることを特徴とする燃料電池システム。
前記電力変換システムは、前記負荷からの要求交流電力が増加する際において、前記固体電解質形燃料電池の温度が設定温度よりも低い場合、前記直流出力電圧の低下速度を小さくして前記固体電解質形燃料電池からの直流電力を増加させた後、前記固体電解質形燃料電池の温度が設定温度以上となった場合、前記直流出力電圧の低下速度を大きくすることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
前記電力変換システムは、前記負荷からの要求交流電力が増加する際において、前記固体電解質形燃料電池の温度が設定温度よりも低い場合および前記固体電解質形燃料電池の劣化が設定以上進行している場合のうちのいずれかかに該当すると、前記固体電解質形燃料電池に供給される燃料ガスの燃料利用率Ｕｆを下げることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池システム。