JP2782854B2 - 燃料電池の保護装置 - Google Patents
燃料電池の保護装置Info
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Classifications
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- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
- H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
- H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
- H01M8/04664—Failure or abnormal function
- H01M8/04679—Failure or abnormal function of fuel cell stacks
-
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- H01M8/04955—Shut-off or shut-down of fuel cells
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- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
Description
【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、大容量料電池発電装置において発生する過
負荷または短絡事故から燃料電池を保護するための保護
装置に関する。ここでいう大容量燃料電池発電装置と
は、例えば5MWあるいは10MWの燃料電池発電装置よう
に、1MW以上の容量をもつ燃料電池発電装置を指すもの
とする。
負荷または短絡事故から燃料電池を保護するための保護
装置に関する。ここでいう大容量燃料電池発電装置と
は、例えば5MWあるいは10MWの燃料電池発電装置よう
に、1MW以上の容量をもつ燃料電池発電装置を指すもの
とする。
［従来の技術］ 燃料電池発電装置は他の種類の発電装置とは異なり、
燃料電池からの電気出力によって過負荷の状態または短
絡事故が発生した場合でも、燃料電池から出力される電
流の大幅な増加がない。このため、他の種類の発電装置
において使用されている過電流保護装置を燃料電池発電
装置には適用することができないという問題点がある。
燃料電池からの電気出力によって過負荷の状態または短
絡事故が発生した場合でも、燃料電池から出力される電
流の大幅な増加がない。このため、他の種類の発電装置
において使用されている過電流保護装置を燃料電池発電
装置には適用することができないという問題点がある。
第10図に燃料電池発電装置システムの概略を示す。燃
料電池（FC）１から負荷（RL）７に出力される電流IFを
変流器の形態の電流検出基（CT）16で検出し、検出され
た電流の大きさに対応してコントローラ（CNT）17によ
り原料調整装置18を制御し、必要な改質原料（Ｑ）を原
料調整装置18から改質器（RF）20へ供給する。
料電池（FC）１から負荷（RL）７に出力される電流IFを
変流器の形態の電流検出基（CT）16で検出し、検出され
た電流の大きさに対応してコントローラ（CNT）17によ
り原料調整装置18を制御し、必要な改質原料（Ｑ）を原
料調整装置18から改質器（RF）20へ供給する。
改質器20において、例えばメタノールと水との混合物
を改質反応させて得た水素UIは、燃料電池（FC）１供給
され、FC1において水素と酸素との電気化学反応によっ
て生じた化学エネルギーが電気量UEをもつ電気エネルギ
ーに変換される。FC1において未反応の水素の一部はオ
フガスUBとなる。オフガスUBは改質器20に充填されてい
る改質触媒の温度を保持するために、改質器20を加熱す
るための燃料としてバーナに供給される。
を改質反応させて得た水素UIは、燃料電池（FC）１供給
され、FC1において水素と酸素との電気化学反応によっ
て生じた化学エネルギーが電気量UEをもつ電気エネルギ
ーに変換される。FC1において未反応の水素の一部はオ
フガスUBとなる。オフガスUBは改質器20に充填されてい
る改質触媒の温度を保持するために、改質器20を加熱す
るための燃料としてバーナに供給される。
第11図に燃料電池のＩ−Ｖ特性を示す。ここで、UIは
改質器20における改質反応で生成された全水素ガス量で
あり、UIを電流に換算するとIFSとなる。通常は定電流I
FNが流れており、電流IFNを電気量に換算するとUEとな
る。
改質器20における改質反応で生成された全水素ガス量で
あり、UIを電流に換算するとIFSとなる。通常は定電流I
FNが流れており、電流IFNを電気量に換算するとUEとな
る。
いま、負荷７を増大していくと、FC1のＩ−Ｖ特性に
基づいた電流および電圧が変化しながらFC1から出力さ
れる。電圧VFOは無負荷電圧である。電圧VFPはFC1から
負荷７に供給する最低の電流値を取るときの電圧であ
り、この点と原点とを結ぶ直線が最低負荷線Ｂである。
電圧VFNは定常運転しているときの電池電圧であり、こ
の点と原点とを結ぶ直線が定格負荷線Ｃである。
基づいた電流および電圧が変化しながらFC1から出力さ
れる。電圧VFOは無負荷電圧である。電圧VFPはFC1から
負荷７に供給する最低の電流値を取るときの電圧であ
り、この点と原点とを結ぶ直線が最低負荷線Ｂである。
電圧VFNは定常運転しているときの電池電圧であり、こ
の点と原点とを結ぶ直線が定格負荷線Ｃである。
短絡事故が発生するか負荷７が増大し過負荷の状態が
発生して電池電圧がVFNよりも低下すると、すなわちFC1
からの出力電流がIFNを越えるとＩ−Ｖ特性曲線は直線
Ｄ（破線）のようにはならず、電圧がVFSにまで急激に
低下する。電圧VFSと原点とを結ぶ直線を短絡線Ｅとい
う。直線Ｄと短絡線Ｅとの交点ｓは後述する電流ISであ
る。
発生して電池電圧がVFNよりも低下すると、すなわちFC1
からの出力電流がIFNを越えるとＩ−Ｖ特性曲線は直線
Ｄ（破線）のようにはならず、電圧がVFSにまで急激に
低下する。電圧VFSと原点とを結ぶ直線を短絡線Ｅとい
う。直線Ｄと短絡線Ｅとの交点ｓは後述する電流ISであ
る。
一般にUE/UIを燃料利用率という。この燃料利用率
は、水素量UIを電流に換算するか電流検出器16で検出し
た電流を水素量に換算して割り算することにより算出す
ることができる。
は、水素量UIを電流に換算するか電流検出器16で検出し
た電流を水素量に換算して割り算することにより算出す
ることができる。
燃料電池発電装置はおおむね0.75〜0.8程度の燃料利
用率で運転されることが多い。このような燃料利用率に
おける運転状態において、短絡が発生した場合、オフガ
スUBとして改質器20に供給されるべき水素がすべてFC1
における電気化学反応で消費されてしまう。
用率で運転されることが多い。このような燃料利用率に
おける運転状態において、短絡が発生した場合、オフガ
スUBとして改質器20に供給されるべき水素がすべてFC1
における電気化学反応で消費されてしまう。
このため、UI＝UEとなるがIFS＝1/（0.75〜0.8）×I
FN＝（1.33〜1.25）×IFNであり、この程度の過電にし
かならない。なお、燃料電池発電装置において短絡ある
いは過負荷が発生すると、FC1がガス欠となりこれに伴
ってFC1が劣化するという問題も起こる。
FN＝（1.33〜1.25）×IFNであり、この程度の過電にし
かならない。なお、燃料電池発電装置において短絡ある
いは過負荷が発生すると、FC1がガス欠となりこれに伴
ってFC1が劣化するという問題も起こる。
一方、燃料電池以外の発電装置においては電流IS（定
格電流の数倍〜数十倍）が流れるので、通常の過電流保
護装置はこの電流を検出し、この検出結果に基づいて異
常回路を切り離すことができる。
格電流の数倍〜数十倍）が流れるので、通常の過電流保
護装置はこの電流を検出し、この検出結果に基づいて異
常回路を切り離すことができる。
［発明が解決しようとする課題］ しかしながら、燃料電池発電装置において短絡あるい
は過負荷が発生した場合、FCからの出力電流は上述のよ
うに、通常の場合の1.33〜1.25倍であり、きわめて低倍
率の電流増加なので、通常の保護装置では検出不能かあ
るいは保護動作に入るまでに長時間を要するという時限
要素をもつことになり、FC1に対する速やかな保護を期
待することはできない。
は過負荷が発生した場合、FCからの出力電流は上述のよ
うに、通常の場合の1.33〜1.25倍であり、きわめて低倍
率の電流増加なので、通常の保護装置では検出不能かあ
るいは保護動作に入るまでに長時間を要するという時限
要素をもつことになり、FC1に対する速やかな保護を期
待することはできない。
本発明者らにおいては５〜10MWの大容量燃料電池発電
装置が、検討中の段階である。このような大容量FCプラ
ントでの発生が予想される問題点は、 （１）燃料電池発電装置の単独運転時および系統連係運
転時における過負荷および短絡事故の発生、または系統
連系運転時におけるインバータ異常により発生する回生
電力に対する検出方法。
装置が、検討中の段階である。このような大容量FCプラ
ントでの発生が予想される問題点は、 （１）燃料電池発電装置の単独運転時および系統連係運
転時における過負荷および短絡事故の発生、または系統
連系運転時におけるインバータ異常により発生する回生
電力に対する検出方法。
（２）検出信号により、FC出力を安全、確実に開路する
ための開閉器の容量。
ための開閉器の容量。
か考えられる。（２）については、特に開閉器ハードウ
エア面で重要課題となることが予想される。この点につ
いて述べる。FC1からの出力電圧は周知のとおり直流電
圧である。FC出力の概略の値は表１に示すとおりであ
る。
エア面で重要課題となることが予想される。この点につ
いて述べる。FC1からの出力電圧は周知のとおり直流電
圧である。FC出力の概略の値は表１に示すとおりであ
る。
表１からわかるように、電流を開閉するための通常の
直流遮断器としては、DC1500V/4000Aのものが最大容量
（他社のレベルも同様）である。高電圧になるとこの直
流遮断器の遮断能力は低下し、電流を遮断することが不
能になるという傾向がある。
直流遮断器としては、DC1500V/4000Aのものが最大容量
（他社のレベルも同様）である。高電圧になるとこの直
流遮断器の遮断能力は低下し、電流を遮断することが不
能になるという傾向がある。
電流的には通電容量確保のために4000Aの直列遮断器
を２個並列に接続して使用するなどの方策はある。しか
し、上述の5MW〜10MWの容量の燃料電池発電装置に対応
することができる電流開閉装置はまだ開発されていな
い。
を２個並列に接続して使用するなどの方策はある。しか
し、上述の5MW〜10MWの容量の燃料電池発電装置に対応
することができる電流開閉装置はまだ開発されていな
い。
本発明の目的は上述の問題点を解決し、FCを保護する
ための、通常の開閉器を用いた燃料電池の保護装置を提
供することにある。
ための、通常の開閉器を用いた燃料電池の保護装置を提
供することにある。
［課題を解決するための手段］ 本発明は、燃料電池の両端と当該両端に接続する負荷
との間に各々接続した１対のスイッチング手段と、前記
燃料電池の端子間電圧を検出する検出手段と、該検出手
段の検出結果に基づいて前記燃料電池の端子間電圧が設
定範囲を越えたときに前記１対のスイッチング手段を開
放する開放手段とを具えたことを特徴とする。
との間に各々接続した１対のスイッチング手段と、前記
燃料電池の端子間電圧を検出する検出手段と、該検出手
段の検出結果に基づいて前記燃料電池の端子間電圧が設
定範囲を越えたときに前記１対のスイッチング手段を開
放する開放手段とを具えたことを特徴とする。
また、前記１対のスイッチング手段の一方は、直列接
続した２つのスイッチと、当該２つのスイッチの一方に
並列接続した半導体スイッチとを含み、前記開放手段
は、前記検出手段の検出結果に基づいて前記燃料電池の
端子間電圧が設定範囲の電圧よりも低下したときに、前
記一方のスイッチを開放し、次いで前記半導体スイッチ
をオフし、次いで前記１対のスイッチング手段の残りと
前記２つのスイッチの残りとを開放する手段を含むこと
ができる。
続した２つのスイッチと、当該２つのスイッチの一方に
並列接続した半導体スイッチとを含み、前記開放手段
は、前記検出手段の検出結果に基づいて前記燃料電池の
端子間電圧が設定範囲の電圧よりも低下したときに、前
記一方のスイッチを開放し、次いで前記半導体スイッチ
をオフし、次いで前記１対のスイッチング手段の残りと
前記２つのスイッチの残りとを開放する手段を含むこと
ができる。
さらに、前記１対のスイッチング手段の一方は、直列
接続した２つのスイッチと、当該２つのスイッチの一方
に並列接続した半導体スイッチとを含み、前記開放手段
は、前記検出手段の検出結果に基づいて前記燃料電池の
端子間電圧が設定範囲の電圧よりも上昇したときに、前
記１対のスイッチング手段の残りと前記２つのスイッチ
の残りとを開放し、次いで前記２つのスイッチの一方お
よび前記半導体スイッチをオフする手段を含むことがで
きる。
接続した２つのスイッチと、当該２つのスイッチの一方
に並列接続した半導体スイッチとを含み、前記開放手段
は、前記検出手段の検出結果に基づいて前記燃料電池の
端子間電圧が設定範囲の電圧よりも上昇したときに、前
記１対のスイッチング手段の残りと前記２つのスイッチ
の残りとを開放し、次いで前記２つのスイッチの一方お
よび前記半導体スイッチをオフする手段を含むことがで
きる。
さらに、本発明は、燃料電池の両端と当該両端に接続
する負荷との間に各々接続した１対のスイッチング手段
と、前記燃料電池からの電流を検出する検出手段と、該
検出手段の検出結果が、前記燃料電池に接続した負荷の
短絡時に当該燃料電池が有する静電容量が放出する電流
を含む電流に対応する値に達したときに前記１対のスイ
ッチング手段を開放する開放手段とを具えたことを特徴
とする。
する負荷との間に各々接続した１対のスイッチング手段
と、前記燃料電池からの電流を検出する検出手段と、該
検出手段の検出結果が、前記燃料電池に接続した負荷の
短絡時に当該燃料電池が有する静電容量が放出する電流
を含む電流に対応する値に達したときに前記１対のスイ
ッチング手段を開放する開放手段とを具えたことを特徴
とする。
［作用］ 本発明によれば、検出された燃料電池の端子電圧また
は燃料電池からの電流に基づいて、燃料電池の両端と当
該両端に接続する負荷との間に各々接続した１対のスイ
ッチング手段を開放することにより、燃料電池を保護す
る。
は燃料電池からの電流に基づいて、燃料電池の両端と当
該両端に接続する負荷との間に各々接続した１対のスイ
ッチング手段を開放することにより、燃料電池を保護す
る。
［実施例］ 以下、図面を参照して本発明を詳細に説明する。
実施例１ 第１図は本発明の第１の実施例を示す。第１図におい
て第10図と同様の箇所には同一の符号を付す。第２図は
第１の実施例におけるＩ−Ｖ特性曲線と電圧設定レベル
との関係を示す。第２図において第11図と同様の箇所に
は同一の符号を付す。
て第10図と同様の箇所には同一の符号を付す。第２図は
第１の実施例におけるＩ−Ｖ特性曲線と電圧設定レベル
との関係を示す。第２図において第11図と同様の箇所に
は同一の符号を付す。
燃料電池発電装置において過負荷または短絡等のよう
な異常が発生すると、第２図に示すようにFC電圧VFSに
まで急激に低下する。FC1の出力電圧を変圧器（PT）の
形態の電圧検出器12で検出し、可変抵抗器（VR）の形態
の電圧設定器13によって設定した値（第２図に符号ａで
示した値）以下に、FC1の電圧が下降したときこれをコ
ンパレータ（CP）の形態の電圧判別器14によって判別す
る。そして、電圧判別器14からの出力信号によってスイ
ッチ（SW）２の引外しコイル（TC）11を動作させ、スイ
ッチ（SW）２を開放状態とする。
な異常が発生すると、第２図に示すようにFC電圧VFSに
まで急激に低下する。FC1の出力電圧を変圧器（PT）の
形態の電圧検出器12で検出し、可変抵抗器（VR）の形態
の電圧設定器13によって設定した値（第２図に符号ａで
示した値）以下に、FC1の電圧が下降したときこれをコ
ンパレータ（CP）の形態の電圧判別器14によって判別す
る。そして、電圧判別器14からの出力信号によってスイ
ッチ（SW）２の引外しコイル（TC）11を動作させ、スイ
ッチ（SW）２を開放状態とする。
実施例２ 第３図は本発明の第２の実施例を示す。第３図におい
て第１図と同様の箇所には同一の符号を付す。開閉回路
はスイッチSW1,半導体スイッチQ1およびスイッチSW2で
構成されている。
て第１図と同様の箇所には同一の符号を付す。開閉回路
はスイッチSW1,半導体スイッチQ1およびスイッチSW2で
構成されている。
第４図は第３図に示す燃料電池発電装置において短絡
事故発生時の動作タイムチャートを示す。短絡が発生す
ると、第４図に示すようにFC電流IFは増加する。増加し
た電流IFSは定常時の電流IFNの1.33〜1.25倍である。
事故発生時の動作タイムチャートを示す。短絡が発生す
ると、第４図に示すようにFC電流IFは増加する。増加し
た電流IFSは定常時の電流IFNの1.33〜1.25倍である。
このとき、FC電圧は急激に低下する。FC電圧VFを電圧
検出器10で検出し、検出された電圧が低電圧設定器（VR
1）31で設定された電圧値よりも低いときにコンパレー
タの形態の電圧判別器（CP1）14Aが動作し、コントロー
ラ（CNT）17へ信号101を出力する。
検出器10で検出し、検出された電圧が低電圧設定器（VR
1）31で設定された電圧値よりも低いときにコンパレー
タの形態の電圧判別器（CP1）14Aが動作し、コントロー
ラ（CNT）17へ信号101を出力する。
CNT17は、まずスイッチSW1を開路するために引外しコ
イル（TC1）11Aへ信号を出力し、スイッチSW1を開路す
る。スイッチSW1が開路すると、そのｂ接点SW1bがオン
し、CNT17は半導体スイッチQ1へオフ指令の信号103を出
力する。半導体スイッチQ1をオフにすることにより、短
絡事故によって発生した電流を遮断する。
イル（TC1）11Aへ信号を出力し、スイッチSW1を開路す
る。スイッチSW1が開路すると、そのｂ接点SW1bがオン
し、CNT17は半導体スイッチQ1へオフ指令の信号103を出
力する。半導体スイッチQ1をオフにすることにより、短
絡事故によって発生した電流を遮断する。
その後、スイッチSW2を開路するために、引外しコイ
ル（TC2）11Bへ信号104を出力する。スイッチSW2は開路
し動作を完了する。
ル（TC2）11Bへ信号104を出力する。スイッチSW2は開路
し動作を完了する。
短絡事故発生時、電流は、FC1→スイッチSW1→スイッ
チSW2→短絡点Ｇ→スイッチSW2→FC1を流れる。スイッ
チSW1を開路すると短絡事故による電流は半導体スイッ
チQ1によりスイッチSW1から転流するが、このときのス
イッチQ1の電圧降下VQ（第３図参照）は極めて低い電圧
（数Ｖ以下）であるので、スイッチSW1は数V/数千Ａの
回路を開路するだけでよい。そこで、スイッチSW1は低
遮断容量開閉器（例えば遮断器に相当するもの）で充分
である。
チSW2→短絡点Ｇ→スイッチSW2→FC1を流れる。スイッ
チSW1を開路すると短絡事故による電流は半導体スイッ
チQ1によりスイッチSW1から転流するが、このときのス
イッチQ1の電圧降下VQ（第３図参照）は極めて低い電圧
（数Ｖ以下）であるので、スイッチSW1は数V/数千Ａの
回路を開路するだけでよい。そこで、スイッチSW1は低
遮断容量開閉器（例えば遮断器に相当するもの）で充分
である。
また、半導体スイッチQ1で電流を遮断した後にスイッ
チSW2を開くので、スイッチSW2もスイッチSW1と同等の
もので充分である。すなわち、直流高圧大電流遮断器を
用いる必要はなく、通常の開閉器を使用することができ
る。
チSW2を開くので、スイッチSW2もスイッチSW1と同等の
もので充分である。すなわち、直流高圧大電流遮断器を
用いる必要はなく、通常の開閉器を使用することができ
る。
通常運転状態では半導体スイッチQ1をスイッチSW1で
短絡しているので損失発生も極めて小さくすることがで
きる。以上、短絡事故が発生した場合の動作について説
明したが、過負荷が発生したときの動作も同様である。
短絡しているので損失発生も極めて小さくすることがで
きる。以上、短絡事故が発生した場合の動作について説
明したが、過負荷が発生したときの動作も同様である。
第５図は第３図に示す燃料電池発電装置において、何
らかの要因で系統からFC側へ電力回生が発生したときの
タイムチャートを示す。
らかの要因で系統からFC側へ電力回生が発生したときの
タイムチャートを示す。
前述したように、短絡および過負荷発生時にはガス欠
によってFCの劣化が起こる。これに対し、回生が発生し
た場合は逆電流によってFCにおいて電気分解を引き起こ
し、水が分解することにより生じた水素と酸素とが反応
してしまうために爆発の恐れがある。
によってFCの劣化が起こる。これに対し、回生が発生し
た場合は逆電流によってFCにおいて電気分解を引き起こ
し、水が分解することにより生じた水素と酸素とが反応
してしまうために爆発の恐れがある。
系統電源27から電力回生が発生した場合、第５図に示
すようにFC電圧VFが上昇すると同時にFC電流IFは低下す
る。FC電圧が過電圧設定器（VR2）32で設定した値を越
えるとコンパレータの形態の電圧判別器（CP2）14Bが動
作し、コントローラ（CNT）17へ信号102を与える。
すようにFC電圧VFが上昇すると同時にFC電流IFは低下す
る。FC電圧が過電圧設定器（VR2）32で設定した値を越
えるとコンパレータの形態の電圧判別器（CP2）14Bが動
作し、コントローラ（CNT）17へ信号102を与える。
CNT17は、信号102を受け、スイッチSW2を開路するた
めに引外しコイル（TC2）11Bへ信号を与え、スイッチSW
2を開路する。スイッチSW2が開路するとそのｂ接点SW2b
がオンし、CNT17を介し半導体スイッチQ1へオフ指令を
発すると同時にスイッチSW1引外しコイル（TC1）11Aへ
信号を与えスイッチSW1を開路し動作を完了する。
めに引外しコイル（TC2）11Bへ信号を与え、スイッチSW
2を開路する。スイッチSW2が開路するとそのｂ接点SW2b
がオンし、CNT17を介し半導体スイッチQ1へオフ指令を
発すると同時にスイッチSW1引外しコイル（TC1）11Aへ
信号を与えスイッチSW1を開路し動作を完了する。
ここでスイッチSW2は、FC電圧VFとインバータ入力電
圧VIの差電圧で、しかもFC電流が小さい領域で開路する
ことになるので、前述の短絡発生時と同様、低遮断容量
開閉器で充分である。
圧VIの差電圧で、しかもFC電流が小さい領域で開路する
ことになるので、前述の短絡発生時と同様、低遮断容量
開閉器で充分である。
さらに、回生モードではスイッチSW1およびスイッチQ
1は無電流状態で開路することになる。
1は無電流状態で開路することになる。
以上説明したように、短絡モードではスイッチSW1は
低圧大電流の開路能力があればよくスイッチQ1で短絡電
流遮断後スイッチSW2を開路するので、短絡モードでは
スイッチSW2は無電流開路となって遮断容量を必要とし
ない。
低圧大電流の開路能力があればよくスイッチQ1で短絡電
流遮断後スイッチSW2を開路するので、短絡モードでは
スイッチSW2は無電流開路となって遮断容量を必要とし
ない。
回生モードにおいてはスイッチSW2で低圧（差電圧）
小電流を開路する能力があれば充分であり、スイッチSW
2開路後、スイッチSW1およびスイッチQ1は無電流開路と
なる。なお、ダイオード（FWD）26は開路時に発生する
サージ電圧が、FC1に印加されないようにするためのダ
イオードである。
小電流を開路する能力があれば充分であり、スイッチSW
2開路後、スイッチSW1およびスイッチQ1は無電流開路と
なる。なお、ダイオード（FWD）26は開路時に発生する
サージ電圧が、FC1に印加されないようにするためのダ
イオードである。
以上説明したように、本実施例においては、低下大電
流の低圧（差電圧）小電流の開路能力があればよいので
（通常容量は必要であるが）、スイッチSW1およびスイ
ッチSW2としては通常の開閉器を使用することができ
る。さらに高電圧および大電流を遮断する必要がないの
で、アークスペースの必要もなく、このため燃料電池発
電装置を小型化にすることができる。
流の低圧（差電圧）小電流の開路能力があればよいので
（通常容量は必要であるが）、スイッチSW1およびスイ
ッチSW2としては通常の開閉器を使用することができ
る。さらに高電圧および大電流を遮断する必要がないの
で、アークスペースの必要もなく、このため燃料電池発
電装置を小型化にすることができる。
さらに、半導体スイッチQ1は常時、スイッチSW1で短
絡されているので、半導体スイッチのロスは零であり、
半導体を冷却する装置が不要となる。このため燃料電池
発電装置を小型化することができる。
絡されているので、半導体スイッチのロスは零であり、
半導体を冷却する装置が不要となる。このため燃料電池
発電装置を小型化することができる。
実施例３ 第６図に本発明の第３の実施例を示す。第６図におい
て第１図および第３図と同様の箇所には同一の符号を付
す。第６図に示すFC1側で短絡が発生するかまたは変圧
器（TR）６の出力側で過負荷が発生すると、後述する第
９図に示すようなIFSPをピーク値とする電流がFC1から
流れる。
て第１図および第３図と同様の箇所には同一の符号を付
す。第６図に示すFC1側で短絡が発生するかまたは変圧
器（TR）６の出力側で過負荷が発生すると、後述する第
９図に示すようなIFSPをピーク値とする電流がFC1から
流れる。
従って、本実施例においては、短絡または過負荷など
が発生したとき、一旦IFSPのピーク電流が必ず発生する
ことに着目し、この電流を検出してスイッチ（SW）２を
開路することによって確実にFC1を保護する。
が発生したとき、一旦IFSPのピーク電流が必ず発生する
ことに着目し、この電流を検出してスイッチ（SW）２を
開路することによって確実にFC1を保護する。
第７図は燃料電池の等価内部回路を示す。第８図は第
７図に示した回路の動作タイムチャートである。第７図
において、ｅはFC1の発生電圧の理論値であり、R1およ
びR2はFC1の内部抵抗である。ＣはFC1に存在する、静電
容量（等価静電容量）Ｃを持つコンデンサである。従っ
て、燃料電池発電装置運転中にはコンデンサＣの両端に
VCの値を持つ電圧が存在している。
７図に示した回路の動作タイムチャートである。第７図
において、ｅはFC1の発生電圧の理論値であり、R1およ
びR2はFC1の内部抵抗である。ＣはFC1に存在する、静電
容量（等価静電容量）Ｃを持つコンデンサである。従っ
て、燃料電池発電装置運転中にはコンデンサＣの両端に
VCの値を持つ電圧が存在している。
第７図において、Ｓを閉路（短絡）すると、第８図に
示すような電流（IF）が流れることが、実験的に確認さ
れている。これは、Ｓを閉路した瞬間はFC内部の等価静
電容量による放出電流と考えられる。
示すような電流（IF）が流れることが、実験的に確認さ
れている。これは、Ｓを閉路した瞬間はFC内部の等価静
電容量による放出電流と考えられる。
第６図に示すようにFC出力または変圧器６の出力側で
短絡または過負荷が発生すると、IFSP＝VC/R2（FC出力
端子より短絡点の抵抗を無視）〜IFC＝（VC/R2）＋R
S（RS＝R2＋RINV（インバータ内の抵抗））〜RFL（フィ
ルタ５抵抗）＋RTL（変圧器６の抵抗）＋RX（電線の抵
抗）のピーク電流が流れ、その電流の減衰はおおむね、
IF＝IFSP×ｅ−/T（Ｔ＝Ｃ×R2またはＣ×（R2＋RS））
となって、静電容量に蓄えられた電荷は放電し、所定の
時間が経過した後電流は最終的にIFSに落ち着く。IFS＝
IFN×（1.33〜1.25）である。
短絡または過負荷が発生すると、IFSP＝VC/R2（FC出力
端子より短絡点の抵抗を無視）〜IFC＝（VC/R2）＋R
S（RS＝R2＋RINV（インバータ内の抵抗））〜RFL（フィ
ルタ５抵抗）＋RTL（変圧器６の抵抗）＋RX（電線の抵
抗）のピーク電流が流れ、その電流の減衰はおおむね、
IF＝IFSP×ｅ−/T（Ｔ＝Ｃ×R2またはＣ×（R2＋RS））
となって、静電容量に蓄えられた電荷は放電し、所定の
時間が経過した後電流は最終的にIFSに落ち着く。IFS＝
IFN×（1.33〜1.25）である。
以上の現象を第９図を参照して説明する。燃料電池が
電圧VFNおよび電流IFNで運転しているときにFC出力で短
絡が発生した場合（このときIFSPが最大となる）、電流
は第９図に矢印ｐで示す方向にｓ点まで流れ、コンデン
サＣに蓄えられた電荷が放電する。電荷が放電するとｓ
点を折返し点として矢印ｑで示す方向に電流が減衰し、
最終値はVFS/IFS点に落ち着くことになる。
電圧VFNおよび電流IFNで運転しているときにFC出力で短
絡が発生した場合（このときIFSPが最大となる）、電流
は第９図に矢印ｐで示す方向にｓ点まで流れ、コンデン
サＣに蓄えられた電荷が放電する。電荷が放電するとｓ
点を折返し点として矢印ｑで示す方向に電流が減衰し、
最終値はVFS/IFS点に落ち着くことになる。
従って、短絡が発生したときのこの電流をコンパレー
タ（CP）の形態の電圧判別器14で検出し、メモリ（Ｍ）
30を介し、引外しコイル11を作動させてスイッチSW2を
開路することにより、FC1を短絡事故から保護する。
タ（CP）の形態の電圧判別器14で検出し、メモリ（Ｍ）
30を介し、引外しコイル11を作動させてスイッチSW2を
開路することにより、FC1を短絡事故から保護する。
［発明の効果］ 以上説明したように、本発明においては簡単な回路構
成で過負荷，短絡および回生等の異常に対し、速やかに
FCを保護することができるという効果がある。
成で過負荷，短絡および回生等の異常に対し、速やかに
FCを保護することができるという効果がある。
第１図は本発明の第１の実施例を示す回路図、 第２図は本発明の第１の実施例におけるＩ−Ｖ特性を示
す図、 第３図は本発明の第２の実施例を示す回路図、 第４図は本発明の第２の実施例における短絡発生時の動
作タイムチャート、 第５図は本発明の第２の実施例における回生発生時の動
作タイムチャート、 第６図は本発明の第３の実施例を示す回路図、 第７図は第６図に示した燃料電池の等価内部回路を示す
図、 第８図は第７図に示した等価内部回路における電流およ
び電圧の経時変化を示す図、 第９図は本発明の第３の実施例におけるＩ−Ｖ特性を示
す図、 第10図は燃料電池発電装置のシステム構成図、 第11図は燃料電池のＩ−Ｖ特性を示す図である。 １……燃料電池、 ２……スイッチ、 ４……インバータ、 ５……フィルタ、 ６……変圧器、 ７……負荷、 11,11A,11B……引外しコイル、 12……電圧検出器、 13……電圧設定器、 14,14A,14B……電圧判別器、 16……電流検出器、 17……コントローラ、 26……フリーホイルダイオード、 27……系統電源、 30……メモリ、 31……過電圧設定器、 32……低電圧設定器。
す図、 第３図は本発明の第２の実施例を示す回路図、 第４図は本発明の第２の実施例における短絡発生時の動
作タイムチャート、 第５図は本発明の第２の実施例における回生発生時の動
作タイムチャート、 第６図は本発明の第３の実施例を示す回路図、 第７図は第６図に示した燃料電池の等価内部回路を示す
図、 第８図は第７図に示した等価内部回路における電流およ
び電圧の経時変化を示す図、 第９図は本発明の第３の実施例におけるＩ−Ｖ特性を示
す図、 第10図は燃料電池発電装置のシステム構成図、 第11図は燃料電池のＩ−Ｖ特性を示す図である。 １……燃料電池、 ２……スイッチ、 ４……インバータ、 ５……フィルタ、 ６……変圧器、 ７……負荷、 11,11A,11B……引外しコイル、 12……電圧検出器、 13……電圧設定器、 14,14A,14B……電圧判別器、 16……電流検出器、 17……コントローラ、 26……フリーホイルダイオード、 27……系統電源、 30……メモリ、 31……過電圧設定器、 32……低電圧設定器。
Claims (4)
- 【請求項１】燃料電池の両端と当該両端に接続する負荷
との間に各々接続した１対のスイッチング手段と、 前記燃料電池の端子間電圧を検出する検出手段と、 該検出手段の検出結果に基づいて前記燃料電池の端子間
電圧が設定範囲を越えたときに前記１対のスイッチング
手段を開放する開放手段と を具えたことを特徴とする燃料電池の保護装置。 - 【請求項２】前記１対のスイッチング手段の一方は、直
列接続した２つのスイッチと、当該２つのスイッチの一
方に並列接続した半導体スイッチとを含み、前記開放手
段は、前記検出手段の検出結果に基づいて前記燃料電池
の端子間電圧が設定範囲の電圧よりも低下したときに、
前記一方のスイッチを開放し、次いで前記半導体スイッ
チをオフし、次いで前記１対のスイッチング手段の残り
と前記２つのスイッチの残りとを開放する手段を含むこ
とを特徴とする請求項１記載の燃料電池の保護装置。 - 【請求項３】前記１対のスイッチング手段の一方は、直
列接続した２つのスイッチと、当該２つのスイッチの一
方に並列接続した半導体スイッチとを含み、前記開放手
段は、前記検出手段の検出結果に基づいて前記燃料電池
の端子間電圧が設定範囲の電圧よりも上昇したときに、
前記１対のスイッチング手段の残りと前記２つのスイッ
チの残りとを開放し、次いで前記２つのスイッチの一方
および前記半導体スイッチをオフする手段を含むことを
特徴とする請求項１記載の燃料電池の保護装置。 - 【請求項４】燃料電池の両端と当該両端に接続する負荷
との間に各々接続した１対のスイッチング手段と、 前記燃料電池からの電流を検出する検出手段と、 該検出手段の検出結果が、前記燃料電池に接続した負荷
の短絡時に当該燃料電池が有する静電容量が放出する電
流を含む電流に対応する値に達したときに前記１対のス
イッチング手段を開放する開放手段と を具えたことを特徴とする燃料電池の保護装置。
Priority Applications (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1278574A JP2782854B2 (ja) | 1989-10-27 | 1989-10-27 | 燃料電池の保護装置 |
| US07/593,661 US5156928A (en) | 1989-10-27 | 1990-10-05 | Protective apparatus and method for a fuel cell |
| DE4034183A DE4034183C2 (de) | 1989-10-27 | 1990-10-26 | Schutzvorrichtung für eine Brennstoffzelle und Verfahren zum Schützen einer Brennstoffzelle |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1278574A JP2782854B2 (ja) | 1989-10-27 | 1989-10-27 | 燃料電池の保護装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH03141560A JPH03141560A (ja) | 1991-06-17 |
| JP2782854B2 true JP2782854B2 (ja) | 1998-08-06 |
Family
ID=17599166
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP1278574A Expired - Lifetime JP2782854B2 (ja) | 1989-10-27 | 1989-10-27 | 燃料電池の保護装置 |
Country Status (3)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US5156928A (ja) |
| JP (1) | JP2782854B2 (ja) |
| DE (1) | DE4034183C2 (ja) |
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Also Published As
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|---|---|
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| JPH03141560A (ja) | 1991-06-17 |
| US5156928A (en) | 1992-10-20 |
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