JP5159569B2 - 燃料電池システムおよびその制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池システムおよびその制御方法に関する。

通常、固体酸化物形燃料電池（以下、ＳＯＦＣと記す）は、電解質に酸化物イオン導電体、例えば安定化ジルコニアを用いており、この電解質の両側にアノード及びカソードを配置している。また、セル形状によっては、積層時にアノードまたはカソードと電気的接続の役割をするインターコネクタを備えている。この構成を単セルと呼ぶ。通常単セルの電圧は１Ｖ程度であるが、その単セルを所定数だけ積層した燃料電池スタックとすることで高電圧、高出力が得られる。複数の燃料電池スタックを直列、または並列に接続した燃料電池モジュールは非常に電圧が高いため、中性点を接地し、耐アース電圧を下げた燃料電池システムが提案されている。

このような燃料電池システムの昇温時において、発電温度に達する前に起電力を所持してしまうため、この状態で地絡が生じた場合、燃料電池モジュールと中性点を介して接地箇所との閉ループを形成してしまい、地絡電流が流れてしまう。この地絡電流により、結果としてセルが劣化、あるいは破損してしまう可能性がある。近年、昇温時に地絡により地絡電流が流れ、セル電圧がマイナス（この現象を転極と呼ぶことにする）となり、セルが破損するという報告事例があり、システム的な対策が急務となっている。

また、６００〜１０００℃程度の発電可能温度において地絡が発生すると、定格電流以上の地絡電流が流れてしまい、過負荷状態と同様に、セルへ供給される燃料ガス及び酸化剤ガス不足となる可能性がある。溶融炭酸塩形燃料電池では、地絡発生時にセルの劣化や、破損の恐れがあるため、特許文献１や２に開示されたような対策が提案されている。

特開昭６３−１６６１５５号公報 特開２０００−５８０７９号公報

本発明の目的は、昇温時及び定格発電時に地絡により地絡電流が流れ、セルが劣化、あるいは破損することを未然に防止し、信頼性の高い燃料電システムを提供することである。

本発明はその一面において、燃料電池単セルを直列もしくは並列に複数個接続した燃料電池スタックと、複数の前記燃料電池スタックを電気的に接続する導電性部材により接続される燃料電池モジュールの中性点を接地した燃料電池システムにおいて、前記中性点と接地点の間に接続した可変抵抗要素と、前記可変抵抗要素の抵抗値を、前記燃料電池単セルの温度または相当値に応じて制御する手段を備えたことを特徴とする。

本発明は他の一面において、前記可変抵抗要素の抵抗値を、地絡電流予測値が所定値以下となるように制御する手段を備えたことを特徴とする。

本発明はさらに他の一面において、前記可変抵抗要素の抵抗値を、前記燃料電池の運転開始後の経過時間に応じて制御する手段を備えたことを特徴とする。

本発明の望ましい実施態様においては、燃料電池モジュールの温度に応じて、前記可変抵抗の抵抗値を制御することによって、地絡が発生した場合における地絡電流の値を制限する。

本発明の望ましい実施形態によれば、地絡電流によって転極するまでセル電圧が低下する大きな電圧降下を未然に防ぐことができ、セルの劣化を抑制し、信頼性の高い燃料電システムを提供することができる。

また、セルの電位に閾値を設けて、常に閾値以上となるように可変抵抗を制御した場合には、よりセルの劣化及び破損を防止し、信頼性をより高めた燃料電池システムを提供することができる。

本発明のその他の目的と特徴は、以下に述べる実施形態の中で明らかにする。

以下、具体的な実施の形態について記載する。

図１は、本発明の一実施形態に係る燃料電池システムの概略構成図である。

図１に示すように本発明では燃料電池スタック１３を有している。

図２は、本発明に採用できる円筒型の燃料電池の構造を示す一部断面斜視図である。本発明は、例えば図２に示すような円筒型や、積層型など、燃料電池の構造・形状を特に限定されるものではない。

図２に示す円筒型の固体酸化物形燃料電池は、電解質５３の両面にカソード５１、アノード５４及びインターコネクタ５２が設けられた電解質電極接合体を備えている。電解質５３は、安定化ジルコニア等の酸化物イオン伝導体で構成されている。インターコネクタ５２は、積層時に、アノードまたはカソードと電気的接続の役割を担う。

燃料電池スタック１３は、固体酸化物形燃料電池であり、単セルを積層して燃料電池１３を構成している。本実施形態では、この燃料電池スタック１３を２個直列に接続して電圧を高め、インバータ１２により、直流を交流に変換し、負荷１１に交流電力を供給している。また、両燃料電池スタック１３の接続点を中性点１４とし、接地点１６との間に可変抵抗１５を接続している。

可変抵抗１５は地絡発生時に地絡電流を低減するための抵抗である。可変抵抗１５の抵抗値Ｒを燃料電池スタック１３の状態に応じて制御する。制御方法は後述する。なお、ここでは、分かり易くするため、単純な可変抵抗器１５として図示しているが、実際には、その抵抗値Ｒ急速に制御する必要上、電力変換器を介して抵抗器に給電する形態とすることなどが考えられる。

燃料電池スタック１３には温度計測手段２２を備え、燃料電池スタック１３の内部温度を計測している。温度計測手段は如何なる手段も適用できるが、高耐熱、耐久性のある熱電対が望ましい。

燃料電池スタック１３には燃料電池スタック１３内の一つもしくは複数の単セルの電圧を計測する電圧計測手段２１を備えている。

制御装置３１はＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等からなる周知のマイクロコンピュータとその周辺回路にて構成されている。

図１においては、制御装置３１の制御機能を、機能ブロックとして示している。詳細な制御は処理フローを参照して後述するが、簡単に説明しておく。セル電圧検出部３１１とモジュール温度検出部３１２の検出値は、閾電圧発生部３１３と閾温度発生部３１４で発生させたそれぞれの閾値と比較され、それらが閾値を超えることが無いように、燃料ガス供給手段４１を制御する。同時に、燃料電池スタック１３の内部温度及び電圧の計測結果を取り込み、その時点でのモジュールの状態の下で地絡が発生したと仮定しても、十分に地絡電流を抑制できるように、可変抵抗１５の抵抗値を制御する。

本実施の形態にかかる燃料電池システムによれば、以下の効果を奏する。

両燃料電池スタック間の中性点１４と接地点１６の間に可変抵抗１５を設け、モジュールの状態に応じて抵抗値Ｒを制御することで、昇温直後に地絡が発生した場合であっても、地絡電流を所定値以内に低減することができる。したがって、地絡によるセルの劣化、破損を防止することができる。

燃料電池スタック１３は、昇温時には、昇温用ヒータもしくはバーナなどの加熱手段（図示せず）より送られてくる高温ガスにより温度が少しずつ上昇してくる。

本発明の実施形態におけるインバータ１２に入力される電圧（以下、入力電圧と記す）は温度上昇に伴い徐々に上昇する。

本実施形態における燃料電池システムは、昇温時から発電時にかけて変化する燃料電池スタック１３の内部抵抗ｒの値に応じるように、可変抵抗１５の抵抗値Ｒを制御することで、地絡発生時点でのセルの劣化及び破損を防止する。すなわち、一般的にＳＯＦＣは昇温直後の低温時は内部抵抗ｒが大きく、この状態で地絡が発生し電流が流れると、内部抵抗ｒが非常に大きいために、それによる電圧降下が大きくなる。特に、多数セルが直並列に接続されたスタックにおいては、温度分布が生じるため、温度が低いセルは内部抵抗も大きく、上述した転極が発生しやすい環境にあり、セルの劣化及び破損が生じ易い。そこで、温度に応じて可変抵抗１５の抵抗値Ｒを制御して、地絡電流を抑制し、セルの劣化及び破損を低減するという考えに至った。

図３においては、図１の可変抵抗１５が無い構成における燃料電池システムにおいて、地絡が発生した際に流れる地絡電流の予想値を、地絡発生時点ごとにプロットして、連続したように実線で示している。一方、本発明の一実施形態における燃料電池システムにおいて、可変抵抗１５の抵抗値Ｒを燃料電池スタックの温度に応じて制御した際に流れる地絡電流の予想値を、地絡発生時点ごとにプロットして、連続したように破線で示している。

図４は、可変抵抗１５の制御方法の一例である。例えば、昇温時から発電開始の間に地絡が発生した場合（時刻ｔ１）について説明する。時刻ｔ１において地絡が発生した場合、燃料電池スタックの内部抵抗が大きいことから、図３の実線上のａ点で示すように、地絡電流は比較的に小さい。しかし、温度の低いセルは、内部抵抗が大きく、電圧降下が大きくなり転極となる可能性がある。この場合、地絡電流を出来る限り小さくする必要があるため、可変抵抗１５の抵抗値Ｒを大きい値とする必要がある。可変抵抗の抵抗値Ｒを大きくすることで、流れる地絡電流を低減できるため、内部抵抗が大きいセルにおいても、転極に達する過大な電圧降下を防止することができ、燃料電池システムの健全性を向上することができる。

次に、発電時の場合（時刻ｔ３）について説明する。時刻ｔ３において地絡が発生した場合、燃料電池スタックの内部抵抗ｒが小さいことから、図３の実線上のｂ点で示すように地絡電流が大きいことが分かる。そのため、定格電流値よりも大きな地絡電流が流れる可能性があり、セルに供給する燃料が不足となり、セルが劣化してしまう可能性がある。この場合、地絡電流の値を定格電流以下とする必要があるが、可変抵抗の抵抗値Ｒが余りにも大きいと地絡電流は中性点を流れず、接地した意味が薄れ、安全性に問題がある。そのため、地絡電流の値を定格電流値の１／４〜１／５程度となるように可変抵抗値Ｒを制御する。このような値とすることで、万が一、人体が触れても問題がない様に接地され、安全な燃料電池システムを提供することができる。

以上のような構成によって、可変抵抗１５の抵抗値Ｒを燃料電池スタックの内部温度に応じて制御することによって、図３の破線のように地絡時に流れる地絡電流を低減することができる。したがって、地絡発生時に懸念されるセルの劣化、破損を防止し、かつ安全性の高い燃料電池システムを提供することができる。

このように、基本的には、燃料電池セルの温度に応じた適切な可変抵抗１５の抵抗値Ｒが存在し、燃料電池セルの温度に応じて抵抗値Ｒを制御することが望ましい。しかし、図４に示したように、燃料電池システムの昇温後の経過時間の関数として適切な抵抗値Ｒを求めることもできるので、システムの昇温後の経過時間の関数として抵抗値Ｒを制御することもできる。

図５は、本発明の一実施例による燃料電池システムにおける制御装置の処理フローであり、以下、これを参照して、図１に示した燃料電池システムの制御方法を説明する。具体的には、可変抵抗１５の抵抗値Ｒの制御である。

まず、ステップ８０１の運転開始段階において、燃料電池システムを昇温する。昇温時は、主に燃料電池モジュールの昇温動作を実施する。ステップ８０２において、制御装置３１は、中性点１４とアース１６間に配置してある地絡電流検出手段（図示せず）により地絡電流を監視する。ステップ８０３において、地絡電流検出手段の監視結果から閾値以上の地絡電流が検出された場合、判定結果はＮｏとなり、後述する図６のステップ９０１に移行してシステムは緊急停止させられる。

ステップ８０３において、地絡電流が流れていなければ、ステップ８０５において、制御装置３１は負荷電流検出手段（図示せず）からの検出値を監視する。負荷電流が流れていなければ、発電していないので判定結果はＮｏとなり、ステップ８０６に移行する。

ステップ８０６において、制御装置３１は燃料電池モジュール１３の内部温度を検出するモジュール温度検出部３１２の検出値を監視する。また、ステップ８０７おいて、制御装置３１は、ステップ８０６で検出された内部温度からモジュール全体の内部抵抗ｒを推算する。内部抵抗の推算方法として、セル電解質のイオン導電率、電極、インターコネクタの電気抵抗及びセル間を電気的に接続する金属材料の電気抵抗等考えられる抵抗分を加算する。

ステップ８０８において、制御装置３１は可変抵抗１５の抵抗値Ｒを制御する。制御方法は、まず、可変抵抗１５の抵抗値Ｒが０Ωの場合における予想地絡電流Ｉ´´を（１）式により算出する。

Ｉ´´＝Ｖｍ／ｒ……………………………………………………………（１）
（Ｖｍ：モジュール電圧）
次に、可変抵抗１５の抵抗値Ｒが任意の値を持つ場合における予想地絡電流Ｉ´を（２）式により算出する。

Ｉ´＝Ｖｍ／（ｒ＋Ｒ）……………………………………………………（２）
このとき、本実施形態の場合、（３）式を満たすように抵抗値Ｒを制御する。

Ｉ´＜ｋ×Ｉ´´……………………………………………………………（３）
（ｋ：定数）
セルの材質、構造等によって定数ｋの値を最適にすることができ、本実施形態では、定数ｋ＝０．２にすることが望ましい。

ステップ８０９において、ステップ８０８で推算された可変抵抗１５の抵抗値Ｒを決定し、ステップ８０２へ戻る。

このように、セル発電前はモジュールの内部温度によって可変抵抗１５の抵抗値Ｒを決定する。

さて、ステップ８０５において、制御装置３１が、負荷電流検出手段（図示せず）の検出値から、発電状態に有ることを検知すると、Ｙｅｓとなり、ステップ８１０及びステップ８２０に移行する。

ステップ８１０において、制御装置３１は燃料ガス供給手段４１から燃料電池スタック１３に供給する燃料ガス（例えばメタン、水素等）の流量検出手段の検出値を監視する。次いで、ステップ８１１において、ステップ８１０で検出した検出値から発電が可能な電流値Ｉを推算する。燃料ガスに水素を用いた場合の電流値Ｉは（４）式より算出する。

Ｉ（Ａ）＝Ｑ（ＮＬ／ｍｉｎ）×９６４８５×２／（６０×２２．４）……（４）
ステップ８２０において、制御装置３１は燃料電池モジュール１３の内部温度を検出するモジュール温度検出部３１２からの検出値を監視する。次に、ステップ８２１では、制御装置３１はステップ８２０で検出した内部温度からモジュール全体の内部抵抗ｒを推算する。内部抵抗の推算方法として、セル電解質のイオン導電率、電極、インターコネクタの電気抵抗及びセル間を電気的に接続する金属材料の電気抵抗等考えられる抵抗分を加算する。次に、ステップ８２２において、制御装置３１は可変抵抗１５の抵抗値Ｒを制御する。さらに、ステップ８２３において、可変抵抗１５が任意の値を持つ場合における予想地絡電流Ｉ´を前述（２）式により算出する。

ステップ８３１において、（５）式を満たしているか否かを確認する。

Ｉ´＜ｋ１×Ｉ…………………………………………………………………（５）
（Ｋ_１：定数）
セルの材質、構造等によって定数ｋの値を最適にすることができ、本実施形態では、定数ｋ＝０．２５にすることが望ましい。

ステップ８３１で、（５）式を満たしておれば、ステップ８３２では、地絡電流を低減するために必要な抵抗値Ｒを決定し、ステップ８０２へ戻る。

一方、（５）式を満たしていなければ、ステップ８２２に戻って、（５）式を満たすまで、可変抵抗の抵抗値Ｒと予想地絡電流の推算を繰り返し、抵抗値Ｒを適正値に制御する。

さて、地絡が発生し、ステップ８０３において、地絡電流が流れていると判断した場合には、図６のステップ９０１に移行して燃料電池システムを緊急停止させる。

その後、ステップ９０２において、制御装置３１のセル電圧検出部３１１によって各セル電圧を計測する。ステップ９０３では、計測した各セル電圧の値を閾電圧発生部３１３の出力と比較して、閾電圧以下と判断した場合はＹｅｓとなり、ステップ９０４へ移行する。ステップ９０４では、可変抵抗の値Ｒを制御する。このとき、可変抵抗の値Ｒを元の値に対して１．１倍の値とする。

ステップ９０３において、計測した各セル電圧の値が閾電圧以上と判断した場合はＮｏとなり、ステップ９０２へ戻る。

以上のような制御方式により、燃料電池スタック１３の電圧、温度に応じて可変抵抗１５の抵抗値Ｒを制御することで、地絡発生時に懸念されるセルの劣化、破損を防止し、かつ安全性の高い燃料電池システムを提供することができる。

本発明の一実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。 本発明に採用できる円筒型燃料電池セルの一部断面斜視図である。 本発明の一実施形態に係る燃料電池システムにおいて、燃料電池の昇温後の経過時間毎に地絡が発生した際に流れる地絡電流の予想値をプロットし、連続線で示した図である。 本発明の一実施形態に係る可変抵抗の制御方法の一例である。 本発明の一実施形態に係る燃料電池システムの制御処理フロー（１）である。 本発明の一実施形態に係る燃料電池システムの制御処理フロー（２）である。

符号の説明

１１…負荷、１２…インバータ、１３…燃料電池スタック、１４…中性点、１５…可変抵抗、１６…接地点、２１…電圧計測手段、２２…温度計測手段、２３…可変抵抗制御伝達手段、３１…制御装置、５１…カソード、５２…インターコネクタ、５３…固体酸化物形電解質、５４…アノード。

Claims (10)

1. 燃料電池単セルを直列もしくは並列に複数個接続した燃料電池スタックと、複数の前記燃料電池スタックを電気的に接続する導電性部材により接続される燃料電池モジュールの中性点を接地した燃料電池システムにおいて、前記中性点と接地点の間に接続した可変抵抗要素と、前記可変抵抗要素の抵抗値を、前記燃料電池単セルの温度または相当値に応じて制御する手段を備えたことを特徴とする燃料電池システム。
2. 請求項１において、燃料電池モジュール内の温度を検出する手段と、前記燃料電池モジュール内の温度が低いほど前記可変抵抗の抵抗値を大きくなるように制御する手段を備えたことを特徴とする燃料電池システム。
3. 請求項１において、燃料電池の昇温時から発電時に掛けて変化する燃料電池スタックの内部抵抗に応じて前記可変抵抗の抵抗値を制御する手段を備えたことを特徴とする燃料電池システム。
4. 請求項１において、燃料電池モジュール内の温度を検出する手段と、この検出温度に基いて地絡電流を予測する手段と、この予測値が所定値以下となるように前記可変抵抗の抵抗値を制御する手段を備えたことを特徴とする燃料電池システム。
5. 請求項１において、前記可変抵抗要素を、電力変換器と抵抗器の組合せで構成し、前記電力変換器を制御して前記中性点と接地点間の抵抗値を制御する変換器制御手段を備えたことを特徴とする燃料電池システム。
6. 請求項１において、燃料電池モジュール内の燃料電池単セルの電圧を検する手段と、前記単セルの電圧が所定値以上を保持するように前記可変抵抗要素の抵抗値を制御する手段を備えたことを特徴とする燃料電池システム。
7. 請求項６において、前記燃料電池スタックに供給される燃料ガスの総流量を検出する手段を設け、前記燃料ガスの流量に応じて前記可変抵抗要素の抵抗値を制御する手段を備えたことを特徴とする燃料電池システム。
8. 燃料電池単セルを直列もしくは並列に複数個接続した燃料電池スタックと、複数の前記燃料電池スタックを電気的に接続する導電性部材により接続される燃料電池モジュールの中性点を接地した燃料電池システムにおいて、前記中性点と接地点の間に接続した可変抵抗要素と、前記可変抵抗要素の抵抗値を、地絡電流予測値が所定値以下となるように制御する手段を備えたことを特徴とする燃料電池システム。
9. 燃料電池単セルを直列もしくは並列に複数個接続した燃料電池スタックと、複数の前記燃料電池スタックを電気的に接続する導電性部材により接続される燃料電池モジュールの中性点を接地した燃料電池システムにおいて、前記中性点と接地点の間に接続した可変抵抗要素と、前記可変抵抗要素の抵抗値を、前記燃料電池の運転開始後の経過時間に応じて制御する手段を備えたことを特徴とする燃料電池システム。
10. 燃料電池単セルを直列もしくは並列に複数個接続した燃料電池スタックと、複数の前記燃料電池スタックを電気的に接続する導電性部材により接続される燃料電池モジュールの中性点を接地した燃料電池システムにおいて、前記中性点と接地点の間に可変抵抗要素を接続し、前記可変抵抗要素の抵抗値を、前記燃料電池単セルの温度または相当値に応じて制御することを特徴とする燃料電池システムの制御方法。

Images