JP3924180B2

JP3924180B2 - Fuel cell system

Info

Publication number: JP3924180B2
Application number: JP2002043808A
Authority: JP
Inventors: 浩小沼; 徳一峰尾
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2002-02-20
Filing date: 2002-02-20
Publication date: 2007-06-06
Anticipated expiration: 2022-02-20
Also published as: JP2003243008A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池システムに関し、特に、複数の燃料電池スタックを並列接続する場合の、燃料電池スタック間の出力電流を等しくするシステムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池システムの概要を図２を用いて説明する。
図２は、従来の燃料電池システムの構成を示す図である。燃料電池システムは、燃料ガス供給装置１０１、酸化ガス供給装置１０２、燃料電池スタック１０３、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０４、制御装置１０７、補機１０８及び２次電池１０９を具備する。そして、負荷装置１１０に接続され、負荷装置１１０へ電力を供給している。
【０００３】
燃料ガス供給装置１０１は、水素又はメタノールやガソリン等を改質して得られる水素リッチガスを、燃料電池スタック１０３へ供給する。
酸化ガス供給装置１０２は、酸素又は空気を、燃料電池スタック１０３へ供給する。
燃料電池スタック１０３は、水素と酸素とを用いて発電を行なう。ここで、燃料電池スタック１０３は、単独のスタックの場合だけでなく、複数のスタックを直列に接続する場合や、並列に接続する場合などが有る。
ＤＣ／ＤＣコンバータ１０４は、燃料電池スタック１０３で発電された直流電力を、所望の特性を有する直流電力へ変換する。
制御装置１０７は、燃料電池システム全体を制御する。
補機１０８は、空気を酸化ガス供給装置１０２へ供給する空気圧縮機、メタノールやガソリン等を燃料ガス供給装置１０１へ供給する燃料ポンプ、冷却水を燃料電池スタック１０３へ供給する冷却水ポンプ、流量制御弁等である。図示していないが、燃料ガス供給装置、酸化ガス供給装置及び燃料電池スタックと密接している。
２次電池１０９は、燃料電池スタック１０３の起動用電力の供給や負荷変動吸収のために用いられ、必要電気量に応じては、コンデンサ等でも可能である。ただし、２次電池１０９の替わりに、起動用電力に外部電源（商用電源等）が利用でき、また、負荷変動が燃料電池電力の負荷応答性の範囲内であれば、無くても良い。
負荷装置１１０は、車両用燃料電池システムの場合には、車両駆動用のインバータ、モータ等である。据置型の燃料電池システムの場合には、商用インバータ等である。
【０００４】
通常、燃料電池スタック１０３は、起動や負荷変動吸収のため、２次電池１０９と併用される。起動時、補機１０８は２次電池１０９より電力供給を受け、燃料電池スタック１０３を立ち上げる。燃料電池スタック１０３の発電が可能になると、燃料電池スタック１０３は出力を始める。そして、負荷装置１１０の負荷が小さい場合には、燃料電池スタック１０３の出力で補機１０８及び負荷装置１１０の電力を賄い、余剰電力を２次電池１０９に充電する。負荷が大きい場合には、燃料電池スタック１０３と２次電池１０９の出力で補機１０８及び負荷装置１１０の電力を賄う。
【０００５】
ここで、燃料電池スタック１０３は、複数の燃料電池（セル）を組み合わせたものである。セルにおいては、製造上の特性のバラツキが小さい場合でも、セルが複数集まった燃料電池スタック１０３においては、そのバラツキが大きくなる場合がある。バラツキの原因としては、製造上の理由や温度等の運転状態などの理由が考えられる。
【０００６】
例えば、Ｖ−Ｉ特性について、バラツキの様子を示したのが図３である。図３は、水素流量一定の場合における燃料電池スタックの出力電流（Ｉ）と出力電圧（Ｖ）との関係を示すグラフである。図３に示すように、燃料電池スタックにより、曲線Ａ、Ｂ及びＣのようにＶ−Ｉ特性に相違が見られる。
このような３つの燃料電池スタックを考えた場合、それらを直列に接続する場合では、各燃料電池スタックの出力電流Ｉが等しくなる（Ｉ_０）。従って、水素の消費量が各燃料電池スタックとも等しくなる。すなわち、水素消費量を均等（燃料利用率が燃料電池スタックに依らず一定）にすることが出来る。
一方、それらを並列に接続する場合、出力電圧Ｖは一定（Ｖ_０）となるが、出力電流Ｉにバラツキが生じる。従って、出力電流Ｉの少ない燃料電池スタック（曲線Ａ：Ｉ＝Ｉ_１）は、水素が余り、大きい燃料電池スタック（曲線Ｃ：Ｉ＝Ｉ_２）は、水素が不足する。すなわち、水素消費量が不均一（燃料利用率が燃料電池スタックにより相違）となる。
並列接続時の水素消費量が、燃料電池スタックに依らず一定（すべての燃料電池スタックにおいて、一定電流）とすることが可能な技術が求められている。
【０００７】
燃料電池スタックを並列に接続する技術として、以下の各技術が開示されている。
特許第２７４５７７６号公報に、燃料電池発電システムの技術が開示されている。この技術は、各燃料電池スタックを並列に接続した際、各スタックへのガス供給量を、各出力電流に応じて制御している。すなわち、並列接続（電圧一定）で出力電流が少ない燃料電池スタックへは燃料ガスの流量を小さくし、全ての燃料電池スタックにおいて燃料利用率を一定とするように制御する。
この場合、燃料ガスの流量を少なくすると、燃料電池スタックのＶ−Ｉ特性は影響を受けて変動する。そして、Ｖ−Ｉ特性の変化により、電圧一定で、更に出力電流が小さくなる場合が考えられる。そうなると、再び燃料ガスの流量を少なくする必要がでてくるので、制御が不安定になる可能性があると考えられる。出力電流が大きい場合は、燃料ガスの流量を多くすることになるが、同様の可能性が考えられる。
【０００８】
特開平７−２０１３５４号公報に、直流発電設備の運転準備方法の技術が開示されている。この技術は、電池特性にバラツキを有する複数の燃料電池スタックについて、それらの各々を組み合わせて出力電流の等しくなるような直列接続の組を作る。そして、それらの組を並列接続することで、電池特性のバラツキを調整している。
この場合、複数の燃料電池スタック間に、最適な組み合わせが無い場合が有り得る、運転中には燃料電池スタックの組み合わせを変更することが出来ない、等の問題が考えられる。
【０００９】
特開平８−５０９０２号公報に、燃料電池発電装置の技術が開示されている。この技術は、各燃料電池スタックにＤＣ／ＡＣインバータを設け、変圧器により出力電圧を合わせたのち、並列接続して結合している。
この場合、２次電池を用いる既述のハイブリッドシステム（図２）では適用できない。無理に適用しようとすれば、ＤＣ／ＡＣインバータの後段に、新たにＡＣ／ＤＣコンバータを加えて再び直流電力に変換する必要がある。
【００１０】
特開平８−１３８６８９号公報に、燃料電池発電装置の技術が開示されている。この技術は、燃料電池スタックでの出力電流を一定にした場合の、出力電圧の相違を燃料電池スタックに直列に接続した可変抵抗により吸収し、並列接続している。
この場合、抵抗による熱損失が発生するので、システム効率が低下することが考えられる。
【００１１】
また、燃料電池スタックを並列接続する場合においても、従来、全燃料電池スタックは、全て動作させることが前提であり、個別に動作、停止、メンテナンス（修理、交換等）させることは行なわれていなかった。これは、一つの設置場所（容器）内に、全ての燃料電池スタックを配設することが多いためである。
燃料電池スタックを個別に動作、停止、メンテナンス（修理、交換等）可能な技術が求められている。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
従って、本発明の目的は、燃料電池スタックを並列に接続する場合、各燃料電池スタックでの燃料ガス消費量が、燃料電池スタックに依らず一定とすることが可能な燃料電池システムを提供することである。
【００１３】
また、本発明の他の目的は、複数の燃料電池スタックを有する燃料電池システムにおいて、燃料電池スタックを個別に動作、停止、メンテナンス（修理、交換等）可能な燃料電池システムを提供することである。
【００１４】
本発明の更に他の目的は、複数の燃料電池スタックを有する燃料電池システムにおいて、いくつかの燃料電池スタックが故障した場合でも、他の燃料電池スタックを運転しつづけることが可能な燃料電池システムを提供することである。
【００１５】
また、本発明の別の目的は、複数の燃料電池スタックを有する燃料電池システムにおいて、負荷の減少により発電量が低下した場合でも、燃料ガスの利用率を維持することが可能な燃料電池システムを提供することである。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
以下に、［発明の実施の形態]で使用される番号・符号を用いて、課題を解決するための手段を説明する。これらの番号・符号は、［特許請求の範囲］の記載と［発明の実施の形態］との対応関係を明らかにするために付加されたものである。ただし、それらの番号・符号を、［特許請求の範囲］に記載されている発明の技術的範囲の解釈に用いてはならない。
【００１７】
従って、上記課題を解決するために、本発明の燃料電池システムは、複数の燃料電池スタック（３−１〜ｎ）と、複数の電力変換器（４−１〜ｎ）と、制御装置（７）とを具備する。複数の燃料電池スタック（３−１〜ｎ）は、燃料ガスと酸化ガスを供給され、電力としての燃料電池電力を発電する。複数の電力変換器（４−１〜ｎ）は、複数の燃料電池スタック（３−１〜ｎ）の各々に接続され、その燃料電池電力の特性を変換する。制御装置（７）は、複数の電力変換器（４−１〜ｎ）の各々を互いに独立に制御する。そして、複数の燃料電池スタック（３−１〜ｎ）の各々と複数の電力変換器（３−１〜ｎ）の各々との組の各々は、互いに並列に接続されている。また、制御装置（７）は、複数の電力変換器（４−１〜ｎ）の各々の出力電圧を等しくするように制御する。
【００１８】
また、本発明の燃料電池システムは、制御装置（７）が、複数の燃料電池スタック（３−１〜ｎ）の各々の燃料利用率を等しくするように、複数の燃料電池スタック（３−１〜ｎ）の各々の出力電流を複数の電力変換器（４−１〜ｎ）の各々で制御する。
【００１９】
また、本発明の燃料電池システムは、複数の燃料電池スタック（３−１〜ｎ）の各々へ供給するその燃料ガスの流量を調整する複数の流量制御装置（５−１〜ｎ）をさらに具備する。そして、制御装置（７）は、複数の燃料電池スタック（３−１〜ｎ）の各々へ供給するその燃料ガスの流量を等しくするように、複数の流量制御装置（５−１〜ｎ）の各々を制御する。
【００２０】
更に、本発明の燃料電池システムは、複数の燃料電池スタック（３−１〜ｎ）の各々へ供給するその燃料ガスの流量を調整する複数の流量制御装置（５−１〜ｎ）を更に具備する。そして、制御装置（７）は、複数の流量制御装置（５−１〜ｎ）の各々を互いに独立に制御する。
【００２１】
更に、本発明の燃料電池システムは、制御装置（７）において、複数の燃料電池スタック（３−１〜ｎ）の各々のその燃料電池電力が、予め設定された最低電力量以下にならないように、複数の燃料電池スタック（３−１〜ｎ）の稼動数（ｋ）を制御する。
【００２２】
更に、本発明の燃料電池システムは、複数の燃料電池スタック（３−１〜ｎ）と、複数の流量制御装置（５−１〜ｎ）と、複数の電力変換器（４−１〜ｎ）と、制御装置（７）とを具備する。複数の燃料電池スタック（３−１〜ｎ）は、燃料ガスと酸化ガスを供給され、電力としての燃料電池電力を発電する。複数の流量制御装置（５−１〜ｎ）は、複数の燃料電池スタック（３−１〜ｎ）の各々へ供給するその燃料ガスの流量を調整する。複数の電力変換器（４−１〜ｎ）は、複数の燃料電池スタック（３−１〜ｎ）の各々に接続され、その燃料電池電力の特性を変換する。制御装置（７）は、複数の燃料電池スタック（３−１〜ｎ）の内の１つと、複数の電力変換器（４−１〜ｎ）の内の１つと、複数の流量制御弁（５−１〜ｎ）の内の１つとを有する複数の組の各々を互いに独立に制御する。そして、その複数の組の各々は、互いに並列に接続されている。
【００２３】
更に、本発明の燃料電池システムは、制御装置（７）が、複数の燃料電池スタック（３−１〜ｎ）の内の故障の発生したものを含むその組の動作を停止する。
【００２４】
上記課題を解決するための、本発明の燃料電池システムの運転方法は、互いに並列に接続された複数の燃料電池スタック（３−１〜ｎ）の各々に、等しい流量の燃料ガスを供給するステップと、複数の燃料電池スタック（３−１〜ｎ）の各々において、予め設定された燃料利用率で発電し、電力としての複数の燃料電池電力を得るステップと、その複数の燃料電池電力の各々を、負荷（１０）へ供給可能な電圧を有する電力としての複数の供給電力に変換するステップと、その複数の供給電力の各々を結合して負荷（１０）へ供給するステップとを具備する。
【００２５】
また、本発明の燃料電池システムの運転方法は、複数の燃料電池スタック（３−１〜ｎ）の各々のその燃料電池電力が、予め設定された最低電力量以下にならないように、複数の燃料電池スタック（３−１〜ｎ）の稼動数（ｋ）を制御するステップを更に具備する。
【００２６】
更に、本発明の燃料電池システムの運転方法は、複数の燃料電池スタック（３−１〜ｎ）の内の故障の発生したものの運転を停止するステップを更に具備する。
【００２７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明である燃料電池システムの実施の形態に関して、添付図面を参照して説明する。
先ず、本発明である燃料電池システムの実施の形態における構成について説明する。
図１は、本発明である燃料電池システムの実施の形態における構成を示す図である。燃料電池システムは、燃料ガス供給装置１、酸化ガス供給装置２、燃料電池スタック３−１〜ｎ（ｎは自然数、以下同じ）、ＤＣ／ＤＣコンバータ４−１〜ｎ、燃料ガス流量制御弁５−１〜ｎ、酸化ガス流量制御弁６−１〜ｎ、制御装置７、補機８及び２次電池９を具備する。そして、負荷装置１０に接続され、負荷装置１０へ電力を供給している。
【００２８】
燃料ガス供給装置１は、燃料ガス流量制御弁５−ｉ（ｉ＝１〜ｎは自然数、以下同じ）を介して、燃料電池スタック３−ｉへ供給する燃料ガスの供給を制御する。ここで、燃料ガスは、水素、又はメタノールやガソリン等の炭化水素系材料を改質して得られる水素リッチガスに例示される水素を含むガスである。
酸化ガス供給装置２は、酸化ガス流量制御弁６−ｉを介して燃料電池スタック３−ｉへ供給する酸化ガスの供給を制御する。ここで、酸化ガスは、酸素、又は空気に例示される酸素を含むガスである。
【００２９】
燃料電池スタック３−ｉは、燃料ガス中の水素と酸化ガス中の酸素とを用いて発電を行なうセルの集合体（セルを直列に複数個接続したスタック）である。各燃料電池スタック３−ｉには、専用のＤＣ／ＤＣコンバータ４−ｉ（後述）が接続している。図１中には、ｎ個の燃料電池スタック３−１〜ｎとＤＣ／ＤＣコンバータ４−１〜ｎとの組が並列接続している例を示している。
ここで、燃料電池スタック３−ｉは、単独のスタックの場合だけでなく、複数のスタックを直列に接続する場合（出力電圧を高くすることが出来る）や、並列に接続する場合（出力電流を多くすることが出来る）などが有る。また、セルとしては、固体高分子型、リン酸型、溶融炭酸塩型、固体酸化物型等の燃料電池に例示される。
【００３０】
ＤＣ／ＤＣコンバータ４−ｉは、燃料電池スタック３−ｉに直列に接続されている。一つの燃料電池スタック３−ｉに一つのＤＣ／ＤＣコンバータ４−ｉが専属に対応（接続）している。ＤＣ／ＤＣコンバータ４−ｉは、燃料電池スタック３−ｉで発電された直流電力としての燃料電池電力を、所望の特性（所望の電流及び電圧）を有する直流電力へ変換する。また、燃料電池電力の電流及び電圧を制御可能である。例えば、燃料電池スタック３−ｉから引き出す電流を制御することにより、燃料電池電力の電流を所望の電流値に制御する。
【００３１】
燃料電池スタック３−ｉとＤＣ／ＤＣコンバータ４−ｉと（燃料ガス流量制御弁５−ｉと酸化ガス流量制御弁６−ｉ）の複数の組の各々は、他の組が運転されている状態においても、それぞれ個別に動作、停止可能なように、制御装置７に制御される。また、他の組が運転されている状態においても、それぞれ個別にメンテナンス（修理、交換等）が可能なように、配設されている。例えば、個別に取り出しが可能なように、適切な間隔で配設されている、保温を個別に行なっている、などである。
【００３２】
制御装置７は、燃料電池システム全体（燃料ガス供給装置１、酸化ガス供給装置２、燃料電池スタック３−１〜ｎ、ＤＣ／ＤＣコンバータ４−１〜ｎ、燃料ガス流量制御弁５−１〜ｎ、酸化ガス流量制御弁６−１〜ｎ、補機８及び２次電池９を含む）を制御する。そして、燃料電池スタック３−ｉ、ＤＣ／ＤＣコンバータ４−ｉ、燃料ガス流量制御弁５−ｉ及び酸化ガス流量制御弁６−ｉの複数の組の各々を、それぞれ独立して制御（例えば、タイムシェアリングや複数のＣＰＵを有するなど）することが可能である。
【００３３】
補機８は、燃料ガス供給装置１へ燃料を供給する燃料ポンプ、酸化ガス供給装置２へ酸化ガス（空気）を加圧して供給する空気圧縮機、燃料電池スタック３−１〜ｎへ冷却水を供給する冷却水ポンプ、各ポンプの流量制御弁（図示せず）等である。図示していないが、補機８は、燃料ガス供給装置１、酸化ガス供給装置２及び燃料電池スタック３−１〜ｎの然るべき位置に配設されている。
【００３４】
２次電池９は、燃料電池スタック３−１〜ｎの起動用電力の供給、負荷変動により発生する燃料電池電力の余剰分（余剰電力）の貯蔵、負荷変動による燃料電池電力の不足の場合における負荷装置１０への電力の供給等に用いられる。
【００３５】
なお、２次電池９の機能は、必要電気量に応じては、コンデンサ等でも代替が可能である。
また、起動用電力には、外部電源（商用電源等）が利用できる。負荷変動が燃料電池電力の負荷応答性の範囲内であれば、２次電池９が無くても良い。
【００３６】
負荷装置１０は、車両用燃料電池システムの場合には、車両駆動用のインバータ、モータ等である。据置型の燃料電池システムの場合には、商用インバータ等である。
【００３７】
次に、本発明である燃料電池システムの実施の形態における動作について、図１を参照して説明する。
制御装置７の制御により、起動時、補機８は、２次電池９より電力供給を受け、燃料電池スタック３−１〜ｎを立ち上げる。そして、燃料電池スタック３−１〜ｎを発電可能な状態（温度、圧力及び燃料ガス及び酸化ガス等の状態）にする。
【００３８】
制御装置７は、燃料電池スタック３−１〜ｎの発電が可能になると、燃料電池スタック３−１〜ｎに負荷装置１０を電気的に接続し、燃料電池電力を出力させる。
その際、制御装置７は、負荷装置１０の負荷の大きさと、２次電池９の蓄電量と、補機８の電力使用量とに基づいて、燃料電池スタック３−１〜ｎに発電させる燃料電池電力の大きさを決定する。例えば、負荷装置１０の負荷が小さい場合には、燃料電池スタック３−１〜ｎの出力のみで補機８及び負荷装置１０の電力を賄う。その時、２次電池９の蓄電量が少ない場合には、余剰電力を発生させて、２次電池９に充電する。負荷装置１０の負荷が大きい場合には、燃料電池スタック３−１〜ｎと２次電池９の出力で補機８及び負荷装置１０の電力を賄う。各電力の測定は、各構成に配置された電流計、電圧計及び電力計等により、計測可能である。また、その発電量決定のロジックは、従来用いられている方法を利用できる。
【００３９】
燃料電池スタック３−１〜ｎに発電させる燃料電池電力の大きさ（総量）の決定後、制御装置７は、燃料電池スタック３−１〜ｎの全てに発電させるかどうかを決定する。これは、各燃料電池スタック３−ｉの発電量が、予め設定された最低発電量以下になるかどうかで判定する。すなわち、燃料電池スタック３（−１〜ｎ）一基当たりの発電量（＝燃料電池電力の大きさ（総量）／ｎ）＞最低発電量、ならば、燃料電池スタック３−１〜ｎの全てに発電させるように制御する。燃料電池電力の大きさ（総量）／ｎ≦最低発電量、ならば、燃料電池電力の大きさ（総量）／ｋ＞最低発電量、となるｋ（ｋ（≦ｎ）は自然数）を求める。そして、燃料電池スタック３−１〜ｎの内のｋ基にのみ発電させるように制御する。
【００４０】
ｎ基からｋ基を選択するのには、任意の方法で行なうことが可能である。例えば、選択に偏りが生じないように、ランダムに選択する、あるいは、制御装置７内で各燃料電池スタック３−ｉの累積発電時間（発電量）を記憶しておき、予め設定された期間内で各燃料電池スタック３−ｉが同程度の時間（発電量）使用されるように分配する。
【００４１】
上記のように制御させるのは以下の理由による。
燃料電池の運転においては、効率の面から、燃料ガスの利用率（燃料利用率＝発電に使用した燃料ガスの量／燃料電池に供給した燃料ガスの量）を一定に保って運転することが求められる。一方で、燃料ガスは、発電効率を劣化させる燃料電池内の余剰水分（未使用の水及び生成水）を排水する役割も担っている。従って、発電量を減少させる際、燃料ガスの利用率を一定にするために、燃料ガスを減少させると、その排水能力の低下を招くことになる。その結果、発電効率の低下を招くことになる。従って、ある発電量（最低発電量）以下の発電は、行なわないことが望ましい（行なう場合には、燃料ガスの利用率から求まる燃料ガスの流量よりも、多くの燃料ガスを流す必要が有り、効率が低下する）。
【００４２】
次に、制御装置７は、選択された燃料電池スタック３（本実施例では、燃料電池スタック３−１〜ｋとする）に対応する燃料ガス流量制御弁５−１〜ｋ及び酸化ガス流量制御弁６−１〜ｋを制御して、選択された燃料電池スタック３−１〜ｋの各々へ、均等な量の燃料ガス及び酸化材ガスを供給する。燃料ガスの供給量は、選択された燃料電池スタック３−１〜ｋの各々に出力させる出力電流Ｉ_{ｉｎ−１〜ｋ}の大きさに基づいて、予め設定された燃料利用率になるように決定する。また、酸化ガスの供給量は、出力電流Ｉ_{ｉｎ−１〜ｋ}の大きさ（あるいは、燃料ガスの燃料利用率）に基づいて、予め設定された酸素利用率になるように決定する。燃料利用率、酸素利用率の値は、制御装置７内に格納されている。
【００４３】
制御装置７は、各ＤＣ／ＤＣコンバータ４−１〜ｋを制御し、選択された燃料電池スタック３−１〜ｋの各々の出力電流Ｉ_{ｉｎ−１〜ｋ}を等しい値になるようにする。
すなわち、選択された燃料電池スタック３−１〜ｋの各々は、全て等しい量の燃料ガスを供給され、全て等しい出力電流Ｉ_{ｉｎ−１〜ｋ}（＝燃料ガス消費量が等しい）で発電を行なうことになる。従って、選択された燃料電池スタック３−１〜ｋの各々の燃料利用率が、全て等しい値となる。
【００４４】
選択された燃料電池スタック３−１〜ｋの各々は、全て等しい出力電流Ｉ_{ｉｎ−１〜ｋ}（＝燃料ガス消費量が等しい）で発電を行なうが、それぞれの出力電流と出力電圧との関係（図３に例示）は異なっている。従って、出力電圧Ｖ_{ｉｎ−１〜ｋ}は、燃料電池スタック３−１〜ｋ毎に異なる値となる。
【００４５】
各ＤＣ／ＤＣコンバータ４−１〜ｋは、燃料電池電力Ｐ_{ｉｎ−１〜ｋ}（出力電圧Ｖ_{ｉｎ−１〜ｋ}及び出力電流Ｉ_{ｉｎ−１〜ｋ}）を、補機８、２次電池９及び負荷装置１０に基づいて定まるシステム電圧Ｖ_Ｓを有する電力Ｐ_{ｏｕｔ−１〜ｋ}（＝ρ×Ｖ_{ｉｎ−１〜ｋ}×Ｉ_{ｉｎ−１〜ｋ}）に変換する。ただし、ρはＤＣ／ＤＣコンバータ４−１〜ｋの電力変換効率である。そのときの電流Ｉ_{ｏｕｔ−１〜ｋ}は、Ｉ_{ｏｕｔ−１〜ｋ}＝ρ×Ｖ_{ｉｎ−１〜ｋ}×Ｉ_{ｉｎ−１〜ｋ}／Ｖ_Ｓ、である。
【００４６】
変換された電力Ｐ_{ｏｕｔ−１〜ｋ}（Ｉ_{ｏｕｔ−１〜ｋ}、Ｖ_Ｓ）は、補機８、負荷装置１０で消費される。余剰電力は２次電池９に蓄電される。
【００４７】
以上の動作により、出力電流−出力電圧特性の異なる燃料電池スタック３−１〜ｎの各々へ、等しい量の燃料ガスを供給しても、出力電流が一定なので燃料ガスの過不足を生じることが無い。従って、燃料電池スタック３−１〜ｎの全てにおいて、燃料利用率一定の運転を行なうことか可能となる。
そして、この場合、燃料電池スタック３−１〜ｎの各々に全て等しい量の燃料ガスを供給することになるので、燃料ガスの制御が非常に容易であり、安定した制御が可能となる。
【００４８】
また、出力電圧Ｖ_{ｉｎ−１〜ｎ}が燃料電池スタック３−１〜ｎ毎に異なる値でも、ＤＣ／ＤＣコンバータ４−１〜ｎの各々での出力電圧＝システム電圧Ｖ_Ｓで一定とすることが出来る。すなわち、ＤＣ／ＤＣコンバータ４−１〜ｎを用いることにより、等しい出力電圧Ｖ_Ｓで各燃料電池スタック３−１〜ｎを並列接続することが可能となる。
【００４９】
燃料電池スタック３−１〜ｎは並列接続であり、その発電量の調整は制御装置７によりＤＣ／ＤＣコンバータ４−１〜ｎを用いて制御されるので、燃料電池スタック３−１〜ｎの各々は、残りの燃料電池スタック３−１〜ｎに対して独立に制御することが可能となる。
すなわち、故障などの理由により、燃料電池スタック３−１〜ｎの内のいくつかを停止する必要がある場合でも、残りの運転を継続することが可能となる。
【００５０】
また、発電量が減少した場合でも、燃料電池スタック３−１〜ｎの各々を独立に制御（運転及び停止を含む）することが出来るので、発電する燃料電池スタック３−１〜ｎの数を減らすことで対応することが可能である。それにより、燃料電池スタック３−１〜ｎ一基当たりの発電量を、最低電力量よりも多くでき、燃料利用率の悪化によるシステム効率の低下を防止することが出来る。
【００５１】
また、燃料電池スタック３−１〜ｎの各々を独立に制御することが出来るので、各燃料電池スタック３−ｉの状態に応じて、供給する燃料ガスの流量を制御（燃料ガス流量制御弁５−ｉによる）し、各燃料電池スタック３−ｉでの燃料利用率を独立に制御することも可能である。それにより、性能が劣化した燃料電池スタック３−ｉでも、使用期間を延ばすことが出来、例えば、予備の燃料電池スタック３が準備できるまで運転を継続することが可能となる。
【００５２】
【発明の効果】
本発明により、燃料電池スタックを並列に接続する場合、各燃料電池スタックでの燃料ガス消費量が、燃料電池スタックに依らず一定とすることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明である燃料電池システムの実施の形態における構成を示す図である。
【図２】従来の燃料電池システムの構成を示す図である。
【図３】燃料電池スタックの出力電流と出力電圧との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
１燃料ガス供給装置
２酸化ガス供給装置
３（−１〜ｎ）燃料電池スタック
４（−１〜ｎ）ＤＣ／ＤＣコンバータ
５（−１〜ｎ）燃料ガス流量制御弁
６（−１〜ｎ）酸化ガス流量制御弁
７制御装置
８補機
９２次電池
１０負荷装置
１０１燃料ガス供給装置
１０２酸化ガス供給装置
１０３燃料電池スタック
１０４ＤＣ／ＤＣコンバータ
１０７制御装置
１０８補機
１０９２次電池
１１０負荷装置[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a fuel cell system, and more particularly to a system for equalizing output currents between fuel cell stacks when a plurality of fuel cell stacks are connected in parallel.
[0002]
[Prior art]
An outline of the fuel cell system will be described with reference to FIG.
FIG. 2 is a diagram showing a configuration of a conventional fuel cell system. The fuel cell system includes a fuel gas supply device 101, an oxidizing gas supply device 102, a fuel cell stack 103, a DC / DC converter 104, a control device 107, an auxiliary device 108, and a secondary battery 109. The load device 110 is connected to supply power to the load device 110.
[0003]
The fuel gas supply device 101 supplies a hydrogen rich gas obtained by reforming hydrogen or methanol, gasoline or the like to the fuel cell stack 103.
The oxidizing gas supply device 102 supplies oxygen or air to the fuel cell stack 103.
The fuel cell stack 103 generates power using hydrogen and oxygen. Here, the fuel cell stack 103 includes not only a single stack but also a plurality of stacks connected in series or connected in parallel.
The DC / DC converter 104 converts the DC power generated by the fuel cell stack 103 into DC power having desired characteristics.
The control device 107 controls the entire fuel cell system.
The auxiliary machine 108 includes an air compressor that supplies air to the oxidizing gas supply device 102, a fuel pump that supplies methanol, gasoline, and the like to the fuel gas supply device 101, a cooling water pump that supplies cooling water to the fuel cell stack 103, and a flow rate Control valves and the like. Although not shown, the fuel gas supply device, the oxidizing gas supply device, and the fuel cell stack are in close contact with each other.
The secondary battery 109 is used for supplying power for starting the fuel cell stack 103 and absorbing load fluctuations, and may be a capacitor or the like depending on the required amount of electricity. However, instead of the secondary battery 109, an external power source (commercial power source or the like) can be used for the starting power, and the load variation is not required as long as the load fluctuation is within the load responsiveness range of the fuel cell power.
In the case of a vehicle fuel cell system, the load device 110 is an inverter, a motor, or the like for driving the vehicle. In the case of a stationary fuel cell system, it is a commercial inverter or the like.
[0004]
Normally, the fuel cell stack 103 is used in combination with the secondary battery 109 for startup and load fluctuation absorption. At startup, the auxiliary device 108 receives power from the secondary battery 109 and starts up the fuel cell stack 103. When the power generation of the fuel cell stack 103 becomes possible, the fuel cell stack 103 starts outputting. When the load of the load device 110 is small, the output of the fuel cell stack 103 covers the power of the auxiliary device 108 and the load device 110, and the secondary battery 109 is charged with surplus power. When the load is large, the power of the auxiliary device 108 and the load device 110 is covered by the outputs of the fuel cell stack 103 and the secondary battery 109.
[0005]
Here, the fuel cell stack 103 is a combination of a plurality of fuel cells (cells). Even if the variation in manufacturing characteristics of the cell is small, the variation may be large in the fuel cell stack 103 in which a plurality of cells are collected. Possible causes of the variation include manufacturing reasons and operating conditions such as temperature.
[0006]
For example, FIG. 3 shows the variation of the VI characteristics. FIG. 3 is a graph showing the relationship between the output current (I) and the output voltage (V) of the fuel cell stack when the hydrogen flow rate is constant. As shown in FIG. 3, depending on the fuel cell stack, there are differences in VI characteristics as shown by curves A, B, and C.
When such three fuel cell stacks are considered, when they are connected in series, the output current I of each fuel cell stack becomes equal (I ₀ ). Therefore, the amount of hydrogen consumed is the same for each fuel cell stack. That is, the hydrogen consumption can be made uniform (the fuel utilization rate is constant regardless of the fuel cell stack).
On the other hand, when connecting them in parallel, the output voltage V is constant (V ₀ However, the output current I varies. Therefore, a fuel cell stack with a low output current I (curve A: I = I ₁ ) Is a large fuel cell stack (curve C: I = I ₂ ) Runs out of hydrogen. That is, the hydrogen consumption is non-uniform (the fuel utilization rate varies depending on the fuel cell stack).
There is a need for a technology that enables the hydrogen consumption during parallel connection to be constant (constant current in all fuel cell stacks) regardless of the fuel cell stack.
[0007]
The following technologies are disclosed as technologies for connecting fuel cell stacks in parallel.
Japanese Patent No. 2745776 discloses a technology of a fuel cell power generation system. This technology controls the amount of gas supplied to each stack according to each output current when the fuel cell stacks are connected in parallel. That is, the flow rate of the fuel gas is reduced to the fuel cell stack with a small output current in parallel connection (constant voltage), and the fuel utilization rate is controlled to be constant in all the fuel cell stacks.
In this case, if the flow rate of the fuel gas is reduced, the VI characteristic of the fuel cell stack is affected and fluctuates. A case where the voltage is constant and the output current is further reduced due to a change in the VI characteristic can be considered. In this case, it is necessary to reduce the flow rate of the fuel gas again, and it is considered that the control may become unstable. When the output current is large, the flow rate of the fuel gas is increased, but the same possibility can be considered.
[0008]
Japanese Patent Application Laid-Open No. 7-201354 discloses a technique of a method for preparing for operation of a DC power generation facility. In this technique, a plurality of fuel cell stacks having variations in battery characteristics are combined to form a series connection set in which output currents are equal. And the variation of a battery characteristic is adjusted by connecting those groups in parallel.
In this case, there may be a case where there is no optimal combination among the plurality of fuel cell stacks, and it is possible that the combination of the fuel cell stacks cannot be changed during operation.
[0009]
Japanese Patent Application Laid-Open No. 8-50902 discloses a technique of a fuel cell power generator. In this technique, a DC / AC inverter is provided in each fuel cell stack, and output voltages are adjusted by a transformer, and then connected in parallel.
In this case, it cannot be applied to the above-described hybrid system using a secondary battery (FIG. 2). If it is to be applied forcibly, it is necessary to newly add an AC / DC converter to the subsequent stage of the DC / AC inverter and convert it to DC power again.
[0010]
Japanese Patent Application Laid-Open No. 8-138869 discloses a technique of a fuel cell power generator. In this technique, when the output current in the fuel cell stack is made constant, the difference in output voltage is absorbed by a variable resistor connected in series to the fuel cell stack and connected in parallel.
In this case, since heat loss due to resistance occurs, it is conceivable that system efficiency decreases.
[0011]
In addition, even when connecting fuel cell stacks in parallel, all the fuel cell stacks are conventionally assumed to operate, and have not been individually operated, stopped, or maintained (repaired, replaced, etc.). It was. This is because all the fuel cell stacks are often arranged in one installation place (container).
There is a need for technology that can individually operate, stop, and maintain (repair, replace, etc.) the fuel cell stack.
[0012]
[Problems to be solved by the invention]
Accordingly, an object of the present invention is to provide a fuel cell system in which the fuel gas consumption in each fuel cell stack can be constant regardless of the fuel cell stack when the fuel cell stacks are connected in parallel. It is.
[0013]
Another object of the present invention is to provide a fuel cell system that can individually operate, stop, and maintain (repair, replace, etc.) the fuel cell stack in a fuel cell system having a plurality of fuel cell stacks. .
[0014]
Still another object of the present invention is to provide a fuel cell system having a plurality of fuel cell stacks, which can continue to operate other fuel cell stacks even when some fuel cell stacks fail. Is to provide.
[0015]
Another object of the present invention is a fuel cell system having a plurality of fuel cell stacks, which can maintain the fuel gas utilization rate even when the amount of power generation is reduced due to a decrease in load. Is to provide.
[0016]
[Means for Solving the Problems]
Hereinafter, means for solving the problem will be described using the numbers and symbols used in the embodiments of the present invention. These numbers and symbols are added to clarify the correspondence between the description of [Claims] and [Embodiments of the Invention]. However, these numbers and symbols should not be used for the interpretation of the technical scope of the invention described in [Claims].
[0017]
Therefore, in order to solve the above problems, the fuel cell system of the present invention includes a plurality of fuel cell stacks (3-1 to n), a plurality of power converters (4-1 to n), and a control device (7). ). The plurality of fuel cell stacks (3-1 to n) are supplied with fuel gas and oxidizing gas, and generate fuel cell power as electric power. The plurality of power converters (4-1 to n) are connected to each of the plurality of fuel cell stacks (3-1 to n), and convert the characteristics of the fuel cell power. The control device (7) controls each of the plurality of power converters (4-1 to n) independently of each other. Each of the plurality of fuel cell stacks (3-1 to n) and each of the plurality of power converters (3-1 to n) is connected in parallel to each other. Moreover, a control apparatus (7) controls so that each output voltage of a some power converter (4-1 to n) may be made equal.
[0018]
Further, the fuel cell system of the present invention includes a plurality of fuel cell stacks (3-1) such that the control device (7) equalizes the fuel utilization rates of the plurality of fuel cell stacks (3-1 to n). To n) is controlled by each of the plurality of power converters (4-1 to n).
[0019]
The fuel cell system of the present invention further includes a plurality of flow rate control devices (5-1 to n) that adjust the flow rate of the fuel gas supplied to each of the plurality of fuel cell stacks (3-1 to n). To do. Then, the control device (7) includes a plurality of flow rate control devices (5-1 to n) so as to equalize the flow rates of the fuel gas supplied to each of the plurality of fuel cell stacks (3-1 to n). Control each one.
[0020]
Furthermore, the fuel cell system of the present invention further includes a plurality of flow rate control devices (5-1 to n) for adjusting the flow rate of the fuel gas supplied to each of the plurality of fuel cell stacks (3-1 to n). To do. And a control apparatus (7) controls each of several flow control apparatuses (5-1 to n) mutually independently.
[0021]
Furthermore, in the fuel cell system of the present invention, in the control device (7), the fuel cell power of each of the plurality of fuel cell stacks (3-1 to n) does not fall below a preset minimum power amount. The operation number (k) of the plurality of fuel cell stacks (3-1 to n) is controlled.
[0022]
Furthermore, the fuel cell system of the present invention includes a plurality of fuel cell stacks (3-1 to n), a plurality of flow rate control devices (5-1 to n), and a plurality of power converters (4-1 to n). And a control device (7). The plurality of fuel cell stacks (3-1 to n) are supplied with fuel gas and oxidizing gas, and generate fuel cell power as electric power. The plurality of flow rate control devices (5-1 to n) adjust the flow rate of the fuel gas supplied to each of the plurality of fuel cell stacks (3-1 to n). The plurality of power converters (4-1 to n) are connected to each of the plurality of fuel cell stacks (3-1 to n), and convert the characteristics of the fuel cell power. The control device (7) includes one of the plurality of fuel cell stacks (3-1 to n), one of the plurality of power converters (4-1 to n), and a plurality of flow control valves (5). Each of the plurality of sets having one of-1 to n) is controlled independently of each other. Each of the plurality of sets is connected in parallel with each other.
[0023]
Further, in the fuel cell system of the present invention, the control device (7) stops the operation of the set including the failure of the plurality of fuel cell stacks (3-1 to n).
[0024]
In order to solve the above problems, a method of operating a fuel cell system according to the present invention is a step of supplying fuel gas at an equal flow rate to each of a plurality of fuel cell stacks (3-1 to n) connected in parallel to each other. Each of the plurality of fuel cell stacks (3-1 to n) generates power at a predetermined fuel utilization rate to obtain a plurality of fuel cell powers as power, and each of the plurality of fuel cell powers Are converted into a plurality of supply powers as power having a voltage that can be supplied to the load (10), and each of the plurality of supply powers is combined and supplied to the load (10).
[0025]
Further, the fuel cell system operating method of the present invention is configured such that the fuel cell power of each of the plurality of fuel cell stacks (3-1 to n) does not fall below a preset minimum power amount. The method further includes the step of controlling the number of operations (k) of the battery stacks (3-1 to n).
[0026]
Furthermore, the operation method of the fuel cell system of the present invention further includes a step of stopping the operation of the fuel cell stack (3-1 to n) in which a failure has occurred.
[0027]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of a fuel cell system according to the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
First, the structure in the embodiment of the fuel cell system according to the present invention will be described.
FIG. 1 is a diagram showing a configuration of an embodiment of a fuel cell system according to the present invention. The fuel cell system includes a fuel gas supply device 1, an oxidizing gas supply device 2, fuel cell stacks 3-1 to n (n is a natural number, hereinafter the same), a DC / DC converter 4-1 to n, and a fuel gas flow rate control valve 5. -1 to n, an oxidizing gas flow rate control valve 6-1 to n, a control device 7, an auxiliary machine 8, and a secondary battery 9. The load device 10 is connected to supply power to the load device 10.
[0028]
The fuel gas supply device 1 controls the supply of the fuel gas supplied to the fuel cell stack 3-i via the fuel gas flow rate control valve 5-i (i = 1 to n are natural numbers, hereinafter the same). Here, the fuel gas is a gas containing hydrogen or hydrogen exemplified by a hydrogen-rich gas obtained by reforming a hydrocarbon-based material such as methanol or gasoline.
The oxidizing gas supply device 2 controls the supply of the oxidizing gas supplied to the fuel cell stack 3-i via the oxidizing gas flow rate control valve 6-i. Here, the oxidizing gas is oxygen or a gas containing oxygen exemplified by air.
[0029]
The fuel cell stack 3-i is an assembly of cells (a stack in which a plurality of cells are connected in series) that generates power using hydrogen in the fuel gas and oxygen in the oxidizing gas. A dedicated DC / DC converter 4-i (described later) is connected to each fuel cell stack 3-i. FIG. 1 shows an example in which a set of n fuel cell stacks 3-1 to n and DC / DC converters 4-1 to n is connected in parallel.
Here, the fuel cell stack 3-i is not only a single stack, but also a plurality of stacks connected in series (output voltage can be increased), or connected in parallel (output current is reduced). Can be increased). Examples of the cell include solid polymer type, phosphoric acid type, molten carbonate type, and solid oxide type fuel cells.
[0030]
The DC / DC converter 4-i is connected in series to the fuel cell stack 3-i. One DC / DC converter 4-i corresponds exclusively (connected) to one fuel cell stack 3-i. The DC / DC converter 4-i converts fuel cell power as direct current power generated by the fuel cell stack 3-i into direct current power having desired characteristics (desired current and voltage). In addition, the current and voltage of the fuel cell power can be controlled. For example, by controlling the current drawn from the fuel cell stack 3-i, the current of the fuel cell power is controlled to a desired current value.
[0031]
Each of the plurality of sets of the fuel cell stack 3-i, the DC / DC converter 4-i (the fuel gas flow rate control valve 5-i and the oxidizing gas flow rate control valve 6-i) is operated in the other set. Even in the state, it is controlled by the control device 7 so that it can be individually operated and stopped. Further, even when other groups are in operation, they are arranged so that maintenance (repair, replacement, etc.) can be performed individually. For example, they are arranged at appropriate intervals so that they can be taken out individually, or they are kept warm.
[0032]
The control device 7 includes the entire fuel cell system (fuel gas supply device 1, oxidant gas supply device 2, fuel cell stacks 3-1 to n, DC / DC converters 4-1 to n, fuel gas flow rate control valves 5-1 to 5-1. n, the oxidizing gas flow rate control valves 6-1 to n, the auxiliary machine 8 and the secondary battery 9 are controlled). Each of the plurality of sets of the fuel cell stack 3-i, the DC / DC converter 4-i, the fuel gas flow rate control valve 5-i, and the oxidizing gas flow rate control valve 6-i is controlled independently (for example, Time sharing and having a plurality of CPUs).
[0033]
The auxiliary machine 8 is a fuel pump that supplies fuel to the fuel gas supply device 1, an air compressor that pressurizes and supplies oxidizing gas (air) to the oxidizing gas supply device 2, and cooling water to the fuel cell stacks 3-1 to n. A cooling water pump for supplying water, a flow control valve (not shown) for each pump, and the like. Although not shown, the auxiliary machine 8 is disposed at appropriate positions of the fuel gas supply device 1, the oxidizing gas supply device 2, and the fuel cell stacks 3-1 to n.
[0034]
The secondary battery 9 supplies power for starting up the fuel cell stacks 3-1 to n, stores surplus fuel cell power (surplus power) generated by load fluctuation, and fuel cell power shortage due to load fluctuation. It is used for supplying power to the load device 10.
[0035]
The function of the secondary battery 9 can be replaced with a capacitor or the like depending on the required amount of electricity.
Further, an external power source (commercial power source or the like) can be used as the starting power. If the load fluctuation is within the load responsiveness range of the fuel cell power, the secondary battery 9 may be omitted.
[0036]
In the case of a vehicle fuel cell system, the load device 10 is an inverter for driving a vehicle, a motor, or the like. In the case of a stationary fuel cell system, it is a commercial inverter or the like.
[0037]
Next, the operation in the embodiment of the fuel cell system according to the present invention will be described with reference to FIG.
Under the control of the control device 7, the auxiliary machine 8 receives power supply from the secondary battery 9 and starts up the fuel cell stacks 3-1 to 3 -n at the time of startup. Then, the fuel cell stacks 3-1 to 3-n are brought into a state where power can be generated (temperature, pressure, fuel gas, oxidizing gas, etc.).
[0038]
When the power generation of the fuel cell stacks 3-1 to n is possible, the control device 7 electrically connects the load device 10 to the fuel cell stacks 3-1 to 3 -n and outputs the fuel cell power.
At this time, the control device 7 causes the fuel cell stacks 3-1 to n to generate power based on the load size of the load device 10, the amount of power stored in the secondary battery 9, and the power usage amount of the auxiliary machine 8. Determine the amount of battery power. For example, when the load of the load device 10 is small, the power of the auxiliary machine 8 and the load device 10 is covered only by the outputs of the fuel cell stacks 3-1 to n. At that time, if the amount of power stored in the secondary battery 9 is small, surplus power is generated to charge the secondary battery 9. When the load of the load device 10 is large, the power of the auxiliary machine 8 and the load device 10 is covered by the outputs of the fuel cell stacks 3-1 to 3-n and the secondary battery 9. Each power can be measured by an ammeter, a voltmeter, a wattmeter, or the like arranged in each configuration. Moreover, the conventionally used method can be used for the logic for determining the power generation amount.
[0039]
After determining the magnitude (total amount) of the fuel cell power to be generated by the fuel cell stacks 3-1 to n, the control device 7 determines whether or not all the fuel cell stacks 3-1 to n are to generate power. This is determined based on whether or not the power generation amount of each fuel cell stack 3-i is equal to or less than a preset minimum power generation amount. That is, the power generation amount per fuel cell stack 3 (−1 to n) (= the magnitude (total amount) of fuel cell power / n)> the minimum power generation amount, all fuel cell stacks 3-1 to n Control to generate electricity. If the magnitude (total amount) / n ≦ minimum power generation amount of the fuel cell power, then k (k (≦ n) is a natural number) satisfying the magnitude (total amount) / k> minimum power generation amount of the fuel cell power is obtained. Then, control is performed so that power is generated only in the k groups in the fuel cell stacks 3-1 to n.
[0040]
The selection of the k group from the n group can be performed by any method. For example, the selection is made randomly so that selection is not biased, or the accumulated power generation time (power generation amount) of each fuel cell stack 3-i is stored in the control device 7 and within a preset period. Thus, the fuel cell stacks 3-i are distributed so that the same time (power generation amount) is used.
[0041]
The reason for controlling as described above is as follows.
In the operation of the fuel cell, from the aspect of efficiency, the fuel gas utilization rate (fuel utilization rate = amount of fuel gas used for power generation / amount of fuel gas supplied to the fuel cell) may be kept constant. Desired. On the other hand, the fuel gas also plays a role of draining excess moisture (unused water and generated water) in the fuel cell that degrades power generation efficiency. Therefore, when the amount of power generation is reduced, if the fuel gas is decreased in order to keep the fuel gas utilization rate constant, the drainage capacity is reduced. As a result, power generation efficiency is reduced. Therefore, it is desirable not to perform power generation below a certain power generation amount (minimum power generation amount) (if it is necessary, it is necessary to flow more fuel gas than the flow rate of fuel gas obtained from the fuel gas utilization rate, Efficiency decreases).
[0042]
Next, the control device 7 controls the fuel gas flow rate control valves 5-1 to k and the oxidant gas flow rate control corresponding to the selected fuel cell stack 3 (in this embodiment, the fuel cell stacks 3-1 to k). The valves 6-1 to k are controlled to supply an equal amount of fuel gas and oxidant gas to each of the selected fuel cell stacks 3-1 to k. The supply amount of the fuel gas is the output current I to be output to each of the selected fuel cell stacks 3-1 to k. _{in-1 to k} Is determined so as to obtain a fuel utilization rate set in advance. Further, the supply amount of the oxidizing gas depends on the output current I _{in-1 to k} Is determined so as to have a preset oxygen utilization rate based on the size (or the fuel utilization rate of the fuel gas). The values of the fuel utilization rate and the oxygen utilization rate are stored in the control device 7.
[0043]
The control device 7 controls each of the DC / DC converters 4-1 to 4-k and outputs current I of each of the selected fuel cell stacks 3-1 to 3-k. _{in-1 to k} To be equal.
That is, each of the selected fuel cell stacks 3-1 to k is supplied with an equal amount of fuel gas, and all output currents I are equal. _{in-1 to k} (= Fuel gas consumption is equal) Power generation is performed. Accordingly, the fuel utilization rates of the selected fuel cell stacks 3-1 to k are all equal.
[0044]
Each of the selected fuel cell stacks 3-1 to 3-k has the same output current I. _{in-1 to k} (= Fuel gas consumption is equal) Power generation is performed, but the relationship between the output current and the output voltage (illustrated in FIG. 3) is different. Therefore, the output voltage V _{in-1 to k} Are different values for each of the fuel cell stacks 3-1 to k.
[0045]
Each of the DC / DC converters 4-1 to k includes a fuel cell power P _{in-1 to k} (Output voltage V _{in-1 to k} And output current I _{in-1 to k} ) Is determined based on the auxiliary machine 8, the secondary battery 9, and the load device 10. _S Power P with _{out-1 to k} (= Ρ × V _{in-1 to k} × I _{in-1 to k} ). Here, ρ is the power conversion efficiency of the DC / DC converters 4-1 to k. Current I at that time _{out-1 to k} I _{out-1 to k} = Ρ × V _{in-1 to k} × I _{in-1 to k} / V _S .
[0046]
Converted power P _{out-1 to k} (I _{out-1 to k} , V _S ) Is consumed by the auxiliary machine 8 and the load device 10. Surplus power is stored in the secondary battery 9.
[0047]
With the above operation, even if an equal amount of fuel gas is supplied to each of the fuel cell stacks 3-1 to 3 -n having different output current-output voltage characteristics, the output current is constant, resulting in excessive or insufficient fuel gas. No. Therefore, it is possible to perform an operation with a constant fuel utilization rate in all of the fuel cell stacks 3-1 to n.
In this case, since an equal amount of fuel gas is supplied to each of the fuel cell stacks 3-1 to n, control of the fuel gas is very easy and stable control is possible.
[0048]
The output voltage V _{in-1 to n} Output voltage at each of the DC / DC converters 4-1 to 4 -n = system voltage V _S Can be constant. That is, by using the DC / DC converters 4-1 to n, an equal output voltage V _S Thus, the fuel cell stacks 3-1 to n can be connected in parallel.
[0049]
The fuel cell stacks 3-1 to n are connected in parallel, and the adjustment of the power generation amount is controlled by the control device 7 using the DC / DC converters 4-1 to n. Each can be controlled independently for the remaining fuel cell stacks 3-1 to n.
That is, even if it is necessary to stop some of the fuel cell stacks 3-1 to n for reasons such as failure, the remaining operation can be continued.
[0050]
Further, even when the power generation amount decreases, each of the fuel cell stacks 3-1 to n can be controlled independently (including operation and stoppage). It is possible to cope by reducing. Thereby, the power generation amount per fuel cell stack 3-1 to n can be made larger than the minimum power amount, and the system efficiency can be prevented from being lowered due to the deterioration of the fuel utilization rate.
[0051]
Further, since each of the fuel cell stacks 3-1 to n can be controlled independently, the flow rate of the supplied fuel gas is controlled according to the state of each fuel cell stack 3-i (the fuel gas flow rate control valve 5). -I), and the fuel utilization rate in each fuel cell stack 3-i can be controlled independently. Thereby, even in the fuel cell stack 3-i whose performance has deteriorated, the use period can be extended, and for example, the operation can be continued until the spare fuel cell stack 3 is prepared.
[0052]
【The invention's effect】
According to the present invention, when fuel cell stacks are connected in parallel, the fuel gas consumption in each fuel cell stack can be made constant regardless of the fuel cell stack.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing a configuration of an embodiment of a fuel cell system according to the present invention.
FIG. 2 is a diagram showing a configuration of a conventional fuel cell system.
FIG. 3 is a graph showing the relationship between the output current and the output voltage of the fuel cell stack.
[Explanation of symbols]
1 Fuel gas supply device
2 Oxidizing gas supply device
3 (-1 to n) Fuel cell stack
4 (-1 to n) DC / DC converter
5 (-1 to n) Fuel gas flow control valve
6 (-1 to n) Oxidizing gas flow control valve
7 Control device
8 Auxiliary machine
9 Secondary battery
10 Load device
101 Fuel gas supply device
102 Oxidizing gas supply device
103 Fuel cell stack
104 DC / DC converter
107 Control device
108 Auxiliary machine
109 Secondary battery
110 Load device

Claims

A plurality of fuel cell stacks which are supplied with fuel gas and oxidizing gas and generate fuel cell power as electric power;
A plurality of power converters connected to each of the plurality of fuel cell stacks for converting characteristics of the fuel cell power;
A control device that controls each of the plurality of power converters independently of each other;
A plurality of flow rate control devices for adjusting the flow rate of the fuel gas supplied to each of the plurality of fuel cell stacks ;
Each of the set of each of the plurality of fuel cell stacks and each of the plurality of power converters is connected in parallel to each other,
The controller is
For each set of the fuel cell stack and the power converter, the corresponding flow rate control device is controlled to supply the fuel gas to the fuel cell stack at the preset flow rate or higher,
Control the output current of the fuel cell stack with the corresponding power converter so as to equalize the fuel utilization of the fuel cell stack,
Controlling the output voltage of each of the plurality of power converters to be equal;
Fuel cell system.

The control device determines a total amount of fuel cell power to be generated by the plurality of fuel cell stacks based on a load size ;
Based on the total amount, the time of supplying the fuel gas to determine the number of operating Ki燃 charge cell stack before that it is possible to generate power by mutually equal fuel utilization at a preset flow rate above,
For each set of said power converter and the fuel cell stack of the operating speed, to control the power converter to control braking a corresponding said flow control device,
The fuel cell system according to claim 1.

Before SL controller, wherein to equalize the flow rate of the fuel gas, and controls each of the plurality of flow control device for supplying to each of said plurality of fuel cell stacks,
The fuel cell system according to claim 2.

Before SL controller controls independently of each other each of said plurality of flow control devices,
The fuel cell system according to claim 2.

The control device controls the number of operations of the plurality of fuel cell stacks so that the fuel cell power of each of the plurality of fuel cell stacks is not equal to or less than a preset minimum amount of power;
The fuel cell system according to any one of claims 1 to 4.

One of the previous SL plurality of fuel cell stacks, one of said plurality of power converters, each of the plurality of pairs having one of said plurality of flow control devices, independently of one another Connected
The controller is
Wherein the plurality of sets of the each, Gyoshi control independently of each other,
Stop the operation of the set including the failed one of the plurality of fuel cell stacks.
The fuel cell system according to claim 1 .

Supplying a fuel gas to each of a plurality of fuel cell stacks connected in parallel with each other at a flow rate that is not less than a preset flow rate and independently controlled ;
In each of the plurality of fuel cell stacks, generating power at a preset fuel utilization rate to obtain a plurality of fuel cell power as power;
Converting each of the plurality of fuel cell powers into a plurality of supply powers as power having equal output voltage that can be supplied to a load;
Combining each of the plurality of power supplies to supply to the load;
Comprising
Operation method of fuel cell system.

Determining a total amount of fuel cell power to be generated by the plurality of fuel cell stacks based on the magnitude of the load;
Determining the number of operating fuel cell stacks based on the total amount such that when the fuel gas is supplied at a flow rate higher than or equal to a preset flow rate, it is possible to generate power at the same fuel utilization rate;
Further comprising
The fuel cell system according to claim 7.

Further comprising the step of controlling the number of operations of the plurality of fuel cell stacks so that the fuel cell power of each of the plurality of fuel cell stacks does not fall below a preset minimum amount of power.
The operation method of the fuel cell system according to claim 7 .

Further comprising the step of stopping the operation of the failed fuel cell stack.
The operation method of the fuel cell system according to any one of claims 7 to 9.