JP3893603B2

JP3893603B2 - 電池性能劣化時の保護制御装置

Info

Publication number: JP3893603B2
Application number: JP09182697A
Authority: JP
Inventors: 文朗橋本
Original assignee: 石川島播磨重工業株式会社
Priority date: 1997-04-10
Filing date: 1997-04-10
Publication date: 2007-03-14
Anticipated expiration: 2017-04-10
Also published as: JPH10284099A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は溶融炭酸塩型燃料電池に係わり、更に詳しくは、溶融炭酸塩型燃料電池の性能劣化時の保護制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
溶融炭酸塩型燃料電池は、図４に模式的に示すように、薄い平板状の電解質板（タイル）１を燃料極（アノード）２と空気極（カソード）３の２枚の電極で挟んで単セル４が構成され、更に複数のセル４と導電性のバイポーラプレート（セパレータ）５を交互に積層して高電圧を発生する積層電池（スタック）が構成される。
【０００３】
上述した燃料電池のＶ−Ｉ特性は、図５（Ａ）に示すように、電流を取り出さないＯＣＶ(Open Circuit Voltage)において電圧Ｖが最大Ｖ_maxとなり、電流Ｉを増すにつれて内部抵抗等の影響で必ず右下がりの傾向を示す。更に、燃料電池のＷ−Ｉ特性は、図５（Ｂ）に示すように、ある電流値Ｉ_aで最大出力Ｗ_maxを示す。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
燃料電池で発電した直流電流は、インバータにより交流出力に変換され、外部に出力される。インバータは逆変換装置により制御され、出力指令に応じて燃料電池から取り出す電流を制御して、所望の出力を得るようになっている。
従って、燃料電池が図５に実線で示す所定の性能を保持している場合には、かかる出力制御は、図５（Ｂ）の矢印で示す範囲で行われ、電流を増すほど出力が増大し、必要な出力を常に維持することができる。
【０００５】
しかし、燃料電池が劣化すると、図５に破線で示すような特性に変化するため、性能劣化等で電圧が低下しあるしきい値を下回ると、必要電力を取り出すために大きな電流が必要となり、それが図５（Ｂ）の電流値Ｉ_a′を越えると、電流を増しても出力が増大せず、また電圧を下げる要因となり崩壊的に電流が増加、電圧が低下し、最終的に電池をトリップさせて劣化を更に加速してしまう問題点があった。
【０００６】
劣化時の特性は、時々刻々変化し、最大出力Ｗ_max、及び最大出力が得られる電流値Ｉ_a′も、全く予測ができないため、従来かかる現象を防止することが困難であり、劣化した電池の制御は、経験と勘を頼りに運転員が常時（２４時間）監視する以外に対応策がなく、その自動化が強く要望されていた。
【０００７】
本発明は、かかる問題を解決するために創案されたものである。すなわち本発明の目的は、燃料電池が劣化した場合でも、その劣化の度合に応じて、燃料電池の出力及び電流を自動的に制御し、常に安全に必要電力或いはそれに近い最大出力を発電制御できる電池性能劣化時の保護制御装置を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明によると、燃料電池の電力Ｗと電流Ｉの関係が、その最大出力Ｗ _ｍａｘでｄＷ／ｄＩ＝０となり、最大出力Ｗ _ｍａｘでの燃料電池の電流値Ｉ _ａよりも電流Ｉが小さい領域でｄＷ／ｄＩ＞０となり、最大出力Ｗ _ｍａｘでの燃料電池の電流値Ｉ _ａよりも電流Ｉが大きい領域でｄＷ／ｄＩ＜０となる燃料電池に対する電池性能劣化時の保護制御装置であって、一定の正値αを予め設定して、燃料電池の電圧Ｖと電流Ｉを周期的に計測し、ｆ（Ｉ）＝（Ｉ／Ｖ）（ｄＶ／ｄｔ）＋ｄＩ／ｄｔを演算し、ｆ（Ｉ）＞αの場合には、出力指令に応じて電流値を増減して出力を調整し、ｆ（Ｉ）≒αの場合には、計測した電流値Ｉを上限値として出力を調整し、ｆ（Ｉ）＜αの場合には、その前の計測電流値を上限値として出力を調整する、ことを特徴とする電池性能劣化時の保護制御装置が提供される。
【０００９】
上記本発明の電池性能劣化時の保護制御装置によれば、燃料電池の直流側の電流Ｉと電圧Ｖの時間変化を測定し、これを比較することにより、出力可能な電流又は出力を演算し、逆変換装置の入力電流又は出力電力を制限するので、負荷変化中の過渡的な性能劣化が生じた場合や、継続的な性能劣化が進行することなどの理由で、目標の電力が出力できない状況になった場合、直流電流又は発電出力を制限することにより電池をトリップさせることなく運転を継続でき、トリップによる電池へのダメージを防ぐことができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の好ましい実施形態を図面を参照して説明する。なお、各図において、共通する部分には同一の符号を付し重複した説明を省略する。
図１は、本発明の電池保護制御装置の構成図である。この図において、６は燃料電池、７はインバータ回路、８は出力制御回路であり、出力制御回路８により出力指令に応じて電流を増減して出力を調節するようになっている。かかる構成は、従来と同様である。
【００１１】
本発明の保護制御装置１０は、燃料電池６の電圧Ｖと電流Ｉを周期的に計測し、この計測値から出力電流の上限値Ｉ_maxを演算して、出力制御回路８に出力するようになっている。
【００１２】
図２は、本発明の原理図である。この図において、（Ａ）（Ｂ）は、図５（Ａ）（Ｂ）に示した燃料電池のＶ−Ｉ特性と、Ｗ−Ｉ特性である。
図２（Ｂ）に示すように、Ｗ−Ｉ特性におけるカーブの極大点は１点のみと予想することができるので、最大出力Ｗ_max点でｄＷ／ｄＩ＝０であり、最大出力Ｗ_maxよりも電流が小さい領域でｄＷ／ｄＩ＞０、最大出力Ｗ_maxよりも電流が大きい領域でｄＷ／ｄＩ＜０となる。従って、ある電流値においてｄＷ／ｄＩ≦０（式▲１▼）の場合には、出力のピーク以上の負荷を取ろうとしているといえる。
【００１３】
式▲１▼を変形すると、Ｗ＝Ｖ×Ｉであるからｄ（Ｖ×Ｉ）／ｄＩ≦０となり、変形してＶｄＩ／ｄＩ＋ＩｄＶ／ｄＩ≦０→ｄＶ／Ｖ≦−ｄＩ／Ｉ→ＩｄＶ／Ｖ≦−ｄＩとなり、更に両辺をｄｔで割ると、次の式▲２▼が得られる。
（Ｉ／Ｖ）（ｄＶ／ｄｔ）＋ｄＩ／ｄｔ≦０．．．式▲２▼
すなわち、式▲２▼が成り立つ場合には、出力のピーク以上の負荷を取ろうとしている状態にあるといえる。
【００１４】
図２（Ｃ）は、式▲２▼の関係図である。この図に示すように、横軸をｄＩ／ｄｔ、縦軸をｄＶ／ｄｔとする直交座標において、原点を通り傾きが−（Ｉ／Ｖ）の直線（式▲２▼の等号に相当する）より、下方に位置する点（斜線部）は、式▲２▼が成り立ち、出力のピーク以上の負荷（すなわち電流）を取ろうとしている状態にあることがわかる。
【００１５】
図３は、本発明の電池保護制御装置の制御図であり、（Ａ）は回路図、（Ｂ）は特性図を示している。（Ａ）において、１１ａ、１１ｂは直流電圧Ｖと直流電流Ｉの検出器、１１ｃ（ａ／ｂ）はＩ／Ｖを計算する演算器、１１ｄ（ｄ／ｄｔ）は微分回路、１１ｅ（×）は積算器、１１ｆ（Σ）は加算器、１１ｇ（Ｈ／Ｌ）は比較器、１１ｈは電流制限器、１１ｉはバイアス調節器、１１ｊは切換器である。
【００１６】
この回路により、直流電圧Ｖと直流電流Ｉを検出し、Ｉ／Ｖを計算し、ｆ（Ｉ）＝（Ｉ／Ｖ）（ｄＶ／ｄｔ）＋ｄＩ／ｄｔを演算し、この演算値が予め設定した一定の正値αより大きい場合には、燃料電池が劣化していない正常の状態（図３（Ｂ）の直線より上のＡ領域）に有り、バイアス調節器１１ｉにより電流の最大値は実電流＋バイアスとなり、電流値に制限はつかない。一方、ｆ（Ｉ）が一定の正値α以下の場合には、燃料電池が劣化し図３（Ｂ）の直線より下のＡ領域にあることになり、比較器１１ｇにより、アラーム信号ＡＮＮを表示すると共に、切換器１１ｊを切り換えて電流制限器１１ｈにより実電流を電流の最大値として電流をホールドする。
【００１７】
すなわち、本発明の電池性能劣化時の保護制御装置１０は、▲１▼一定の正値αを予め設定し、▲２▼燃料電池の電圧Ｖと電流Ｉを周期的に計測し、▲３▼ｆ（Ｉ）＝（Ｉ／Ｖ）（ｄＶ／ｄｔ）＋ｄＩ／ｄｔを演算し、▲４▼ｆ（Ｉ）＞αの場合には、出力指令に応じて電流値を増減して出力を調整し、▲５▼ｆ（Ｉ）≒αの場合には、計測した電流値Ｉを上限値として出力を調整し、▲６▼ｆ（Ｉ）＜αの場合には、その前の計測電流値を上限値として出力を調整するようになっている。
【００１８】
この構成により、燃料電池の直流側の電流Ｉと電圧Ｖの時間変化を測定し、これを比較することにより、出力可能な電流又は出力を演算し、逆変換装置の入力電流又は出力電力を制限するので、負荷変化中の過渡的な性能劣化が生じた場合や、継続的な性能劣化が進行することなどの理由で、目標の電力が出力できない状況になった場合、直流電流又は発電出力を制限することにより電池をトリップさせることなく運転を継続でき、トリップによる電池へのダメージを防ぐことができる。
【００１９】
なお、本発明は上述した実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変更できることは勿論である。
【００２０】
【発明の効果】
上述したように、本発明の電池性能劣化時の保護制御装置は、発電設備において、逆変換装置を用いて発電出力を制御する方法と場合、燃料電池の電流と電圧の時間変化率を計測し、電流或いは発電量を安定領域側になるように制限することで、過渡的継続的な燃料電池の性能劣化が生じて電圧が低下した場合でも、目標の出力をとるための過剰な電流を取りにいくことを防ぐものである。
【００２１】
すなわち、本発明の電池性能劣化時の保護制御装置は、燃料電池が劣化した場合でも、その劣化の度合に応じて、燃料電池の出力及び電流を自動的に制御し、常に安全に必要電力或いはそれに近い最大出力を発電制御できる等の優れた効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の電池保護制御装置の構成図である。
【図２】本発明の原理図である。
【図３】本発明の電池保護制御装置の制御図である。
【図４】燃料電池の模式的構成図である。
【図５】燃料電池の特性図である。
【符号の説明】
１電解質板（タイル）
２燃料極（アノード）
３空気極（カソード）
４単セル
５バイポーラプレート（セパレータ）
６燃料電池
７インバータ回路
８出力制御回路
１０保護制御装置

Claims

燃料電池の電力Ｗと電流Ｉの関係が、その最大出力Ｗ _ｍａｘでｄＷ／ｄＩ＝０となり、最大出力Ｗ _ｍａｘでの燃料電池の電流値Ｉ _ａよりも電流Ｉが小さい領域でｄＷ／ｄＩ＞０となり、最大出力Ｗ _ｍａｘでの燃料電池の電流値Ｉ _ａよりも電流Ｉが大きい領域でｄＷ／ｄＩ＜０となる燃料電池に対する電池性能劣化時の保護制御装置であって、
一定の正値αを予め設定して、燃料電池の電圧Ｖと電流Ｉを周期的に計測し、ｆ（Ｉ）＝（Ｉ／Ｖ）（ｄＶ／ｄｔ）＋ｄＩ／ｄｔを演算し、ｆ（Ｉ）＞αの場合には、出力指令に応じて電流値を増減して出力を調整し、ｆ（Ｉ）≒αの場合には、計測した電流値Ｉを上限値として出力を調整し、ｆ（Ｉ）＜αの場合には、その前の計測電流値を上限値として出力を調整する、ことを特徴とする電池性能劣化時の保護制御装置。