JP5969297B2

JP5969297B2 - 燃料電池システム

Info

Publication number: JP5969297B2
Application number: JP2012167202A
Authority: JP
Inventors: 谷口　英二; 英二谷口
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2012-07-27
Filing date: 2012-07-27
Publication date: 2016-08-17
Anticipated expiration: 2032-07-27
Also published as: JP2014026862A

Description

本発明は、複数の燃料電池セルを電気的に直列に接続してなるスタックを複数有する燃料電池システムに関する。

近年、次世代エネルギーとして、燃料ガス（水素含有ガス）と酸素含有ガス（空気等）とを用いて、例えば、６００〜１０００℃の高温下で発電する固体酸化物形の燃料電池セルが知られている。そして、燃料電池セルを複数直列に接続してスタックを構成し、このスタックを複数収納容器内に収納して燃料電池モジュールを構成し、この燃料電池モジュールを外装容器内に収納して燃料電池装置を構成することが行われている。

ところで、従来、ダイレクトメタノール形燃料電池（ＤＭＦＣ）について、複数のセルを直列に接続し、かつ、セルに対して、並列にスイッチを設けた燃料電池システムが知られている（特許文献1参照）。

この特許文献１では、複数のセルのうち、発電性能が他のセルよりも劣化したセルのスイッチをオンすることで、劣化したセル以外のセルが直列に接続されるようになっている。

これにより、一部のセルが劣化した場合であっても全てのセルを廃棄することなく、燃料電池システムを稼働することができ、燃料電池システム全体としての寿命を向上することができる。

特開２００８−３００１４０号公報

しかしながら、特許文献１のＤＭＦＣでは、要求される発電量が低く、セル数も少ないため、セル毎にスイッチを設けることが可能であるが、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）では、要求される発電量が高いためセルが多数直列に接続した構成であり、セル毎にスイッチを設けることは、技術的、コスト的に困難であった。

このため、ＳＯＦＣでは、スタック毎にスイッチを設けることが合理的であるが、セル単位であれば劣化したセルを使用しないことによる出力電力の低下は小さいが、スタック単位となると、劣化したスタックを使用しないことによる出力電力の低下が大きくなり、出力電力差が大きいことからユーザークレームにつながるおそれがある。

本発明は、劣化したスタックであっても継続して使用できるとともに、劣化したスタックのさらなる劣化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。

本発明の燃料電池装置システムは、複数の燃料電池セルを電気的に直列に接続してなる複数のスタックと、該複数のスタックにそれぞれ接続され、全ての前記スタックを有する第１発電部か、もしくは１個の前記スタックを有する第２発電部と残りの前記スタックを有する第３発電部とに切り換える発電部構成用切替器と、前記第２発電部の前記スタックからの電圧に基づき一定の出力電圧を出力する第１ＤＣ／ＤＣコンバータと、前記第１発電部または前記第３発電部の前記スタックからの電圧に基づき一定の出力電圧を出力する第２ＤＣ／ＤＣコンバータと、前記複数のスタックのうち、他の前記スタックよりも劣化
が進行している前記スタックがある場合に、該他のスタックよりも劣化が進行している１個の前記スタックを有する前記第２発電部と前記他のスタックを有する前記第３発電部とに切り換えるように前記発電部構成用切替器を制御するとともに、前記劣化が進行している１個のスタックからの掃引電流を、前記他のスタックからの掃引電流よりも少なくなるように、前記第１、第２ＤＣ／ＤＣコンバータを制御する制御装置とを具備することを特徴とする。

本発明の燃料電池システムによれば、複数のスタックのうち、他のスタックよりも劣化が進行しているスタックがある場合に、制御装置は、劣化しているスタックからの掃引電流を、他のスタックからの掃引電流よりも少なくなるように、ＤＣ／ＤＣコンバータを制御するため、劣化したスタックを切り離すことなく、継続して発電することができるとともに、劣化したスタックのさらなる劣化を抑制できる。

燃料電池システムの概略構成を示す図である。スタックとＤＣ／ＤＣコンバータとを有する発電部を複数並列接続してなる発電集合体を示す図である。３個のスタックを有する発電集合体を示すもので、（ａ）は、発電初期における発電集合体を示す図であり、（ｂ）は、１個のスタックを有する第２発電部と残りのスタックを有する第３発電部とに切り換えられた発電集合体を示す図である。３個のスタックを有する発電集合体を示すもので、（ａ）は、発電初期における発電集合体を示す図であり、（ｂ）は、１個のスタックを有する第２発電部と残りのスタックを有する第３発電部とに切り換えられ、第３発電部の複数のスタックが直列接続するように切り換えられた発電集合体を示す図である。第３発電部の複数のスタックが直列接続するように切り換えられた発電集合体の他の形態を示す図である。

図１は、燃料電池システムの第１実施形態を示す構成図である。このような燃料電池システムは、発電を行なう発電ユニット、熱交換後の湯水を貯湯する貯湯ユニットとから構成されており、これらのユニット間は水を循環させるための循環配管で連結されている。

図１に示す燃料電池システムは、天然ガスや灯油等の原燃料（天然ガスの場合は被改質ガスに相当）を供給する燃料ガス供給装置２、被改質ガスを改質するための改質触媒を内部に有する改質部と、改質部に供給する水蒸気を生成するための気化部とが一体的に構成されている改質器４、空気等の酸素含有ガスを３個のスタック２１に供給するための酸素含有ガス供給装置３とを具備している。なお、改質部には、部分酸化改質、オートサーマル改質および水蒸気改質の少なくとも１種の改質方法を行なうことができる改質触媒が配置されている。

燃料ガス供給装置２は、天然ガスや灯油等の原燃料を改質器４に供給するためのポンプ５および燃料ガス供給管６を具備しており、酸素含有ガス供給装置３は、空気等の酸素含有ガスをスタック２１に供給するためのブロア７および酸素含有ガス供給管８を具備している。

ここで図１に示す燃料電池システムにおいては、改質器４で水蒸気改質を行う場合に必要な水の供給元として、スタック２１より排気される排ガスと水との熱交換により生じる凝縮水を主に用いることができる。

すなわち、図１に示す燃料電池システムにおいては、スタック２１の発電により生じた排ガス（排熱）と水とで熱交換を行なう熱交換器１３、熱交換により生成された凝縮水を
貯水する凝縮水タンク（図示せず）が設けられており、凝縮水タンクに貯水された水（凝縮水）が、水ポンプにより改質器４（気化部）に供給されるように構成されている。

なお、図１に示す燃料電池システムにおいては、凝縮水タンクに貯水される水の量が少ない場合に、外部から改質器４（気化部）に水（水道水等）を供給することができるよう、水処理装置Ｘを具備する水供給装置１４が併設されている。ここで、水処理装置Ｘは、水を浄化するための活性炭フィルタ装置、逆浸透膜装置および浄化された水を純水にするためのイオン交換樹脂装置の各装置から構成されている。

また、改質器４は、スタック２１とともにハウジング１０内に収納され、かつスタック２１の上端側の上方に配置されている。それにより、スタック２１に供給される燃料ガス（改質ガス）または改質器４（改質部）で未反応のガス（被改質ガス）を、スタック２１の上端側で燃焼させることにより、改質器４（改質部および気化部）の温度をさらに上昇させることができる。

さらに、図１に示す燃料電池システムは、スタック２１にて発電された直流電力を交流電力に切り替え外部負荷に供給するためのパワーコンディショナ（ＤＣ／ＡＣコンバータ）１１が設けられており、このパワーコンディショナ１１を系統電源（負荷）と接続することで、スタック２１の発電が開始されるとともに、負荷追従運転が開始されることとなる。

そして、図１に示す燃料電池システムには、この燃料ガス供給装置２や酸素含有ガス供給措置３、さらにはパワーコンディショナ１１等を制御する制御装置２４が設けられている。

さらに、図１においては、熱交換器１３の出口に設けられ熱交換器１３の出口を流れる水（循環水流）の水温を測定するための出口水温センサ１５、および熱交換器１３の入口に設けられ熱交換器１３の入口を流れる水（循環水流）の水温を測定するための入口水温センサ１６が設けられており、上述した各装置および後述する循環ポンプ１７を外装容器内に収納することにより、発電ユニット（燃料電池装置）が構成されている。

また貯湯ユニットは、熱交換器１３での熱交換後の湯水を貯湯するための貯湯タンク１８を具備して構成され、さらに、熱交換器１３と貯湯タンク１８との間で水を循環させるための循環配管１９が設けられている。貯湯タンク１８内には、貯湯量センサ２０が設けられており、貯湯量が測定され、そのデータが制御装置２４に送られるようになっている。

また、燃料電池セルとしては、各種燃料電池セルが知られているが、燃料電池を小型化する上で、固体酸化物形燃料電池セルとすることができる。それにより、燃料電池のほか、燃料電池の動作に必要な補機類を小型化することができ、燃料電池装置を小型化することができる。またあわせて、家庭用燃料電池で求められる変動する負荷に追従する負荷追従運転を行なうことができる。

そして、本実施形態では、図２に示すように、複数の燃料電池セルを電気的に直列に接続してなるスタック２１ａ、２１ｂ、２１ｃと、スタック２１ａ、２１ｂ、２１ｃからの電圧に基づき一定の出力電圧を出力するＤＣ／ＤＣコンバータ２２ａ、２２ｂ、２２ｃとを有する発電部２３ａ、２３ｂ、２３ｃを、複数並列接続して発電集合体２５が構成されている。この発電集合体２５は、パワーコンディショナ１１を介して負荷に接続されている。また、スタック２１ａ、２１ｂ、２１ｃとＤＣ／ＤＣコンバータ２２ａ、２２ｂ、２２ｃとの間には、スタック２１ａ、２１ｂ、２１ｃの発電電流を検出するための電流計２
７がそれぞれ接続されている。

ハウジング１０内には、３個のスタック２１ａ、２１ｂ、２１ｃが収納されている。なお、スタック２１ａ、２１ｂ、２１ｃは３個以上であっても良いことは勿論である。

また、３つのスタック２１ａ、２１ｂ、２１ｃのうち、他のスタック２１ａ、２１ｃよりも劣化が進行しているスタック２１ｂがある場合に、該他のスタック２１ａ、２１ｃよりも劣化が進行しているスタック２１ｂからの掃引電流を、他のスタック２１ａ、２１ｃからの掃引電流よりも少なくなるように、ＤＣ／ＤＣコンバータ２２ｂを制御する制御装置２４を有している。

劣化が進行しているスタックとは、例えば、電圧を一定にした場合におけるスタックの電流、または電力が、他のスタックよりも所定値以上低い場合、もしくは、電流を一定にした場合におけるスタックの電圧、または電力が、他のスタックよりも所定値以上低い場合、さらには、電力を一定にした場合におけるスタックの電圧が他のスタックよりも所定値以上低い場合、または電力を一定にした場合におけるスタックの電流が、他のスタックよりも所定値以上高い場合がある。

発電量、電圧、電流が他のスタックの発電量、電圧、電流よりも所定値以上低いとは、例えば、他のスタックの発電量、電圧、電流よりも１０％以上低い場合である。

このような燃料電池システムでは、発電初期では、３つのスタック２１ａ、２１ｂ、２１ｃはほぼ同一発電量であるため、制御装置２４は３個のスタック２１ａ、２１ｂ、２１ｃからの掃引電流が同一となるように、ＤＣ／ＤＣコンバータ２２ａ、２２ｂ、２２ｃを制御している。

そして、スタック２１ａ、２１ｂ、２１ｃは、発電期間が長くなると時間の経過とともに劣化する傾向にあるため、並列接続された複数のスタック２１ａ、２１ｂ、２１ｃのうち、例えば、電圧または電流を一定にした場合において、スタック２１ａ、２１ｃよりも所定値以上、発電量が低いスタック２１ｂが発生した場合（スタック２１ｂが劣化した場合）には、制御装置２４は、発電量の低いスタック２１ｂからの掃引電流を、他のスタック２１ａ、２１ｃからの掃引電流よりも少なくなるように、ＤＣ／ＤＣコンバータ２２ｂを制御するため、劣化したスタック２１ｂを切り離すことなく、継続して発電することができるとともに、劣化したスタック２１ｂのさらなる劣化を抑制でき、他のスタック２１ａ、２１ｃの発電性能に近づけることができる。

図３は、第２実施形態を示すもので、この形態では、３つのスタック２１ａ、２１ｂ、２１ｃを有しており、３つの全てのスタック２１ａ、２１ｂ、２１ｃを有する第１発電部２３ａ（図３（ａ））か、もしくは１個のスタック２１ｂを有する第２発電部２３ｂと残り２個のスタック２１ａ、２１ｃを有する第３発電部２３ｃとに切り換える発電部構成用切替器２９と、第２発電部２３ｂのスタック２１ｂからの電圧に基づき一定の出力電圧を出力する第１ＤＣ／ＤＣコンバータ３１ａと、第１発電部２３ａのスタック２１ａ、２１ｂ、２１ｃからの電圧または第３発電部２３ｃのスタック２１ａ、２１ｃからの電圧に基づき一定の出力電圧を出力する第２ＤＣ／ＤＣコンバータ３１ｂとを有している。

また、複数のスタック２１ａ、２１ｂ、２１ｃの劣化程度を比較し、例えば、スタック２１ｂの劣化が他のスタック２１ａ、２１ｃの劣化よりも進行していた場合に、１個のスタック２１ｂを有する第２発電部２３ｂと残りのスタック２１ａ、２１ｃを有する第３発電部２３ｃとに切り換えるように発電部構成用切替器２９ａ、２９ｂ、２９ｃを制御するとともに、劣化が進行している１個のスタック２１ｂからの掃引電流を、他のスタック２
１ａ、２１ｃからの掃引電流よりも少なくなるように、第１、第２ＤＣ／ＤＣコンバータ３１ａ、３１ｂを制御する制御装置２４とを具備する。なお、図３、および図４、５においては制御装置２４の記載を省略した。

このような燃料電池システムでは、発電初期では、３つのスタック２１ａ、２１ｂ、２１ｃはほぼ同一発電量であるため、制御装置２４により、全ての発電部構成用切替器２９ａ、２９ｂ、２９ｃが切り替えられ、３個のスタック２１ａ、２１ｂ、２１ｃから同一の掃引電流が第１ＤＣ／ＤＣコンバータ３１ａから掃引されている。

スタック２１ａ、２１ｂ、２１ｃは、発電期間が長くなると時間の経過とともに劣化する傾向にあるため、例えば、３個のスタック２１ａ、２１ｂ、２１ｃのうち、スタック２１ａ、２１ｃよりもスタック２１ｂが劣化した場合には、制御装置２４は、スタック２１ｂの発電部構成用切替器２９ｂを切り換え、劣化しているスタック２１ｂからの掃引電流を、スタック２１ａ、２１ｃからの掃引電流よりも少なくなるように、第１、第２ＤＣ／ＤＣコンバータ３１ａ、３１ｂを制御するため、劣化したスタック２１ｂを切り離すことなく、継続して発電することができるとともに、劣化したスタック２１ｂのさらなる劣化を抑制でき、スタック２１ａ、２１ｃの発電性能に近づけることができる。

また、この形態では、各スタック２１ａ、２１ｂ、２１ｃの発電電流を、発電部構成用切替器２９ａ、２９ｂ、２９ｃを切り替えることで測定できる。すなわち、例えば、スタック２１ｂの発電電流を測定する場合、第１ＤＣ／ＤＣコンバータ３１ａからの掃引電流を０とし、スタック２１ｂの発電部構成用切替器２９ｂのみに切り換え、第２発電部２３ｂの電流計により測定することができる。

この際、負荷への電力供給は、スタック２１ａ、２１ｃを用いて、第２ＤＣ／ＤＣコンバータ３１ｂから掃引することにより、継続して発電することができる。これにより、電力需要が少ない、例えば夜間等に、発電を停止することなく、各スタック２１ａ、２１ｂ、２１ｃの発電電流を測定でき、劣化程度を発電中に評価することができる。

図４は、第３実施形態を示すもので、この形態では、３つのスタック２１ａ、２１ｂ、２１ｃを有しており、３つの全てのスタック２１ａ、２１ｂ、２１ｃを有する第１発電部２３ａ（図４（ａ））か、もしくは、例えば、１個のスタック２１ｂを有する第２発電部２３ｂと残り２個のスタック２１ａ、２１ｃを有する第３発電部２３ｃとに切り換える（図４（ｂ））発電部構成用切替器２９と、第２発電部２３ｂのスタック２１ｂからの電圧に基づき一定の出力電圧を出力する第１ＤＣ／ＤＣコンバータ３１ａと、第１発電部２３ａまたは第３発電部２３ｃのスタック２１ａ、２１ｃからの電圧に基づき一定の出力電圧を出力する第２ＤＣ／ＤＣコンバータ３１ｂとを有している。

また、複数のスタック２１ａ、２１ｂ、２１ｃの劣化程度を比較し、例えば、スタック２１ｂが他のスタック２１ａ、２１ｃよりも劣化していた場合に、１個のスタック２１ｂを有する第２発電部２３ｂと残りのスタック２１ａ、２１ｃを有する第３発電部２３ｃとに切り換えるように発電部構成用切替器２９ａ、２９ｂ、２９ｃを制御するとともに、劣化している１個のスタック２１ｂからの掃引電流を、スタック２１ａ、２１ｃからの掃引電流よりも少なくなるように、第１、第２ＤＣ／ＤＣコンバータ３１ａ、３１ｂを制御する制御装置２４とを具備する。

さらに、第１発電部２３ａを構成する３個のスタック２１ａ、２１ｂ、２１ｃまたは第３発電部２３ｃを構成する２個のスタック２１ａ、２１ｃを直列に接続するように切り換える直列接続用切替器４１ａ、４１ｂを有するとともに、制御装置２４は、３個のスタック２１ａ、２１ｂ、２１ｃの劣化程度を比較し、例えば、スタック２１ｂが他のスタック
２１ａ、２１ｃよりも劣化していた場合に、第１発電部２３ａを構成する３個のスタック２１ａ、２１ｂ、２１ｃまたは第３発電部２３ｃを構成する２個のスタック２１ａ、２１ｃを直列に接続するように直列接続用切替器４１ａ、４１ｂを制御する。

このような燃料電池システムでは、発電初期では、３つのスタック２１ａ、２１ｂ、２１ｃはほぼ同一発電量であるため、図４（ａ）に示すように、制御装置２４により、発電部構成用切替器２９ａ、２９ｂ、２９ｃが切り替えられ、３個のスタック２１ａ、２１ｂ、２１ｃから同一の掃引電流が第２ＤＣ／ＤＣコンバータ３１ｂから掃引されている。

スタック２１ａ、２１ｂ、２１ｃは、発電期間が長くなると時間の経過とともに劣化する傾向にあるため、例えば、３個のスタック２１ａ、２１ｂ、２１ｃのうち、スタック２１ａ、２１ｃよりもスタック２１ｂが劣化した場合には、図４（ｂ）に示すように、制御装置２４は、スタック２１ｂの発電部構成用切替器２９ｂを切り換え、劣化しているスタック２１ｂからの掃引電流を、他のスタック２１ａ、２１ｃからの掃引電流よりも少なくなるように、第１、第２ＤＣ／ＤＣコンバータ３１ａ、３１ｂを制御するため、劣化したスタック２１ｂを切り離すことなく、継続して発電することができるとともに、劣化したスタック２１ｂのさらなる劣化を抑制でき、他のスタック２１ａ、２１ｃの発電性能に近づけることができる。

さらに、制御装置２４が、スタック２１ａ、２１ｃを直列に接続するように直列接続用切替器４１ａ、４１ｂを切り換えるため、スタック２１ａ、２１ｃは電気的に直列に接続された状態で、第２ＤＣ／ＤＣコンバータ３１ｂから掃引されるため、スタック２１ａ、２１ｃからの掃引電流が一定になるため、発電量が多いスタック２１ａ、２１ｃの劣化速度を同程度とすることができる。

なお、図５に示すような燃料電池システムであっても、上記図４に示した燃料電池システムと同様の作用効果を有することができる。図５は、スタック２１ｂが他のスタック２１ａ、２１ｃよりも劣化していた場合の図である。

１４：制御装置
２１ａ、２１ｂ、２１ｃ：スタック
２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、３１ａ、３１ｂ：ＤＣ／ＤＣコンバータ
２３ａ、２３ｂ、２３ｃ：発電部
２５：発電集合体
２９ａ、２９ｂ、２９ｃ：発電部構成用切替器
４１ａ、４１ｂ：直列接続用切替器

Claims

複数の燃料電池セルを電気的に直列に接続してなる複数のスタックと、該複数のスタックにそれぞれ接続され、全ての前記スタックを有する第１発電部か、もしくは１個の前記スタックを有する第２発電部と残りの前記スタックを有する第３発電部とに切り換える発電部構成用切替器と、前記第２発電部の前記スタックからの電圧に基づき一定の出力電圧を出力する第１ＤＣ／ＤＣコンバータと、前記第１発電部または前記第３発電部の前記スタックからの電圧に基づき一定の出力電圧を出力する第２ＤＣ／ＤＣコンバータと、前記複数のスタックのうち、他の前記スタックよりも劣化が進行している前記スタックがある場合に、該他のスタックよりも劣化が進行している１個の前記スタックを有する前記第２発電部と前記他のスタックを有する前記第３発電部とに切り換えるように前記発電部構成用切替器を制御するとともに、前記劣化が進行している１個のスタックからの掃引電流を、前記他のスタックからの掃引電流よりも少なくなるように、前記第１、第２ＤＣ／ＤＣコンバータを制御する制御装置とを具備することを特徴とする燃料電池システム。
前記複数のスタックにそれぞれ接続され、前記第１発電部または前記第３発電部を構成する前記複数のスタックを直列に接続するように切り換える直列接続用切替器を有するとともに、前記制御装置は、前記複数のスタックのうち、前記他のスタックよりも劣化が進行している前記スタックがある場合に、前記第１発電部または前記第３発電部を構成する前記複数のスタックを直列に接続するように前記直列接続用切替器を制御することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池装置。