JP6187660B1 - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】高い発電効率を維持しつつ、簡単な構成かつ低コストで起動時の開回路電圧を抑制して安定的な運転を実現することができる燃料電池システム及び固体酸化物形燃料電池を提供する。【解決手段】分流回路（３０）は、固体酸化物形燃料電池（１０）からＤＣ／ＡＣ変換部（２０）への直流電流の伝送路に接続可能である。分流回路（３０）は、固体酸化物形燃料電池（１０）が発電した直流電流の一部を引き抜く放電抵抗（３１）と、この放電抵抗（３１）を伝送路への接続状態と非接続状態に切り換える切換部（３２、３３、３５）とを有する。【選択図】図２

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。

近年、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ：Solid Oxide Fuel Cell）の開発が進められている。ＳＯＦＣは、空気極で生成された酸化物イオンが電解質を透過して燃料極に移動し、燃料極で酸化物イオンが水素又は一酸化炭素と反応することにより電気エネルギーを発生する発電メカニズムである。ＳＯＦＣは、現在知られている燃料電池の形態の中では、発電の動作温度が最も高く（例えば９００℃〜１０００℃）、発電効率が最も高いという特性を持つ。

一般的に、燃料電池が発電した直流電流を交流電流に変換して系統電源との連系運転を行う場合、直流部を高電圧低電流にすることで、変換効率が上昇する。これは、燃料電池のセルスタックの積層数を増やして各セルを直列に接続することで実現される。直流部を高電圧低電流にできることがＳＯＦＣの発電効率が高い理由である。

特許文献１には、燃料電池と負荷の接続と非接続を切り換えるＦＣリレーを開閉制御する燃料電池システムが開示されている。この燃料電池システムでは、燃料電池の電圧を始動電圧から開回路電圧よりも低い運転電圧まで上昇させて燃料電池を始動し、燃料電池の電圧が、運転電圧よりも低く燃料電池の始動電圧よりも高い第１の電圧と、第１の電圧よりも低く燃料電池の始動電圧よりも高い第２の電圧との間で、ＦＣリレーの閉指令を出力する。

特許文献２には、ＤＣ／ＤＣコンバータ（以下、コンバータ）と、ＤＣ／ＡＣインバータ（以下、インバータ）と、整流回路とを有する燃料電池システムが開示されている。コンバータは、燃料電池を運転させる補機に、燃料電池からの直流電圧を所定の直流電流に変換して出力する。インバータは、コンバータから出力される直流電圧を所定の交流電圧に変換して系統電源に接続されている電源ラインに出力するとともに、電源ラインからの交流電圧を所定の直流電圧に変換して補機に出力する。整流回路は、電源ラインと補機の間にインバータと並列に設けられ、電源ラインからの交流電圧を整流することで直流電圧に変換して補機に供給する。そして、燃料電池の起動時に、コンバータと整流回路またはインバータをバランスさせて、燃料電池の電圧を調整する。

特開２０１０−２３８５３８号公報 特開２００９−４８９７２号公報

しかしながら、特許文献１−２を含む従来の燃料電池システムは、燃料電池の起動時（無負荷時）の開回路電圧（ＯＣＶ：Open Circuit Voltage）が高くなりすぎて、燃料電池のセルスタックひいては補機の劣化及び損傷を誘発する結果、燃料電池システムの安定的な運転が困難になるという問題がある。また、燃料電池の電圧制御に必要な構成要素が大掛かりで複雑であるため高コスト化を招いてしまう。

本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、高い発電効率を維持しつつ、簡単な構成かつ低コストで起動時の開回路電圧を抑制して安定的な運転を実現することができる燃料電池システムを提供することを目的の１つとする。

本実施形態の燃料電池システムは、その一態様では、燃料ガスと酸化剤ガスの電気化学反応により発電し、且つ、複数のセルを積層して構成されたセルスタックを有する固体酸化物形燃料電池と、前記固体酸化物形燃料電池が発電した直流電流を交流電流に変換するＤＣ／ＡＣ変換部と、前記固体酸化物形燃料電池から前記ＤＣ／ＡＣ変換部への直流電流の伝送路に接続可能な分流回路と、を有し、前記分流回路は、前記固体酸化物形燃料電池が発電した直流電流の一部を引き抜く放電抵抗と、前記放電抵抗を前記伝送路への接続状態と非接続状態に切り換える切換部と、を有し、前記切換部は、前記固体酸化物形燃料電池の起動時までに又は前記固体酸化物形燃料電池の起動時の開回路電圧が所定の閾値電圧に到達したときに、前記放電抵抗を前記伝送路への非接続状態から接続状態に切り換え、前記切換部は、前記ＤＣ／ＡＣ変換部に流れ込む直流電流が所定の閾値電流に到達したときに、前記放電抵抗を前記伝送路への接続状態から非接続状態に切り換え、前記固体酸化物形燃料電池は、前記セルスタックの各セルを電気的に直列に接続するか並列に接続するかを切り換える直並列切換機構を有し、前記固体酸化物形燃料電池の起動時には、前記直並列切換機構が、前記セルスタックの各セルを電気的に並列に接続し、前記固体酸化物形燃料電池の開回路電圧が第１の閾値電圧に到達したときに、前記固体酸化物形燃料電池が発電した直流電流の一部を前記ＤＣ／ＡＣ変換部と前記放電抵抗の少なくとも一方により引き抜き、前記固体酸化物形燃料電池の開回路電圧が前記第１の閾値電圧より低い第２の閾値電圧まで下がったときに、前記直並列切換機構が、前記セルスタックの各セルを電気的に直列に接続する、ことを特徴としている。

本発明によれば、高い発電効率を維持しつつ、簡単な構成かつ低コストで起動時の開回路電圧を抑制して安定的な運転を実現することができる燃料電池システムを提供することができる。

第１実施形態の燃料電池システムを示すブロック図である。 図１Ａの燃料電池システムに余剰電力伝送路を追加した場合を示すブロック図である。 第１実施形態の分流回路の内部構成を示すブロック図である。 第１実施形態の燃料電池システムの起動時から定格運転開始までのＳＯＦＣに掛かる電圧、放電抵抗に流れる電流、発電負荷に流れる電流の関係を示すタイミングチャートである。 第１実施形態の燃料電池システムの起動時から定格運転開始までの動作を示すフローチャートである。 第２実施形態の分流回路の内部構成を示すブロック図である。 第２実施形態の燃料電池システムの起動時から定格運転開始までのＳＯＦＣに掛かる電圧、放電抵抗に流れる電流、発電負荷に流れる電流の関係を示すタイミングチャートである。 第２実施形態の燃料電池システムの起動時から定格運転開始までの動作を示すフローチャートである。 第３実施形態のＳＯＦＣのセルスタック及び各セルの直並列切換機構の構成を示す概念図である。 ＳＯＦＣのセルスタックの各セルを並列に接続した状態を示す図８に対応する概念図である。 ＳＯＦＣのセルスタックの各セルを直列に接続した状態を示す図８に対応する概念図である。 第３実施形態の燃料電池システムの起動時から定格運転開始までのＳＯＦＣに掛かる電圧、放電抵抗に流れる電流、発電負荷に流れる電流の関係を示すタイミングチャートである。 第３実施形態の燃料電池システムの起動時から定格運転開始までの動作を示すフローチャートである。 第４実施形態のＳＯＦＣのセルスタック及び各セルの直並列切換機構の構成を示す概念図である。

≪第１実施形態≫
図１〜図４を参照して、第１実施形態の燃料電池システム１について詳細に説明する。図中において、実線は、電気（電流、電力）の流れを示しており、破線（ＳＯＦＣ１０の内部）と一点鎖線（ＳＯＦＣ１０の外部）は、例えばガスや水等の流体の流れを示している。

図１Ａに示すように、燃料電池システム１は、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ：Solid Oxide Fuel Cell）１０と、ＤＣ／ＡＣ変換部２０と、分流回路３０と、系統電力網４０と、燃焼器５０と、排熱回収循環系６０とを有している。

ＳＯＦＣ１０は、複数のセルを積層または集合体として構成したセルスタックを有している。各セルは空気極と燃料極で電解質を挟んだ基本構成を有しており、各セルの間にはセパレータが介在している。セルスタックの各セルは電気的に直列に接続されている。ＳＯＦＣ１０は、空気極で生成された酸化物イオンが電解質を透過して燃料極に移動し、燃料極で酸化物イオンが水素又は一酸化炭素と反応することにより電気エネルギーを発生する発電メカニズムである。なお、詳細は第３、第４実施形態で後述するが、ＳＯＦＣ１０のセルスタックの各セルを電気的に直列に接続するか並列に接続するかは切換可能である。

ＳＯＦＣ１０は、燃料ガス流路（アノードガス流路）１２と、酸化剤ガス流路（カソードガス流路）１４とを有している。燃料ガス流路１２には燃料ガス供給器（図示略）から燃料ガスが供給され、酸化剤ガス流路１４には酸化剤ガス供給器（図示略）から酸化剤ガスが供給される。燃料ガス流路１２に供給された燃料ガスと酸化剤ガス流路１４に供給された酸化剤ガスとが電気化学反応を起こすことにより、直流電流が発生する。電気化学反応を起こさなかった燃料ガスと酸化剤ガスは、排出ガスとして、ＳＯＦＣ１０から排出される。ＳＯＦＣ１０から排出された燃料ガスの一部は、リサイクルガス流路１６を介して、燃料ガス流路１２に還流される。

ＤＣ／ＡＣ変換部２０は、ＳＯＦＣ１０が発生（発電）した直流電流を交流電流に変換する。

分流回路３０は、ＳＯＦＣ１０からＤＣ／ＡＣ変換部２０への直流電流の伝送路ＤＬに接続可能に（伝送路ＤＬに跨って）設けられている。分流回路３０は、伝送路ＤＬへの接続状態では、ＳＯＦＣ１０が発生した直流電流の一部を伝送路ＤＬから引き抜く（分流して消費することで伝送路ＤＬから逃がす）。このため、伝送路ＤＬのうち、分流回路３０からＤＣ／ＡＣ変換部２０に流れる直流電流は、ＳＯＦＣ１０から分流回路３０に流れる直流電流より小さくなる。一方、分流回路３０は、伝送路ＤＬへの非接続状態では、ＳＯＦＣ１０が発生した直流電流をそのまま通過させる。このため、伝送路ＤＬのうち、分流回路３０からＤＣ／ＡＣ変換部２０に流れる直流電流は、ＳＯＦＣ１０から分流回路３０に流れる直流電流と同じ大きさとなる。分流回路３０の構成及び動作については後に詳細に説明する。

ＳＯＦＣ１０の発電電力はＤＣ/ＡＣ変換部２０（分流回路３０の伝送路ＤＬへの接続状態では分流回路３０及びＤＣ／ＡＣ変換部２０）を通り、系統連系リレー２５を介して、系統電力網４０に接続されている。ＳＯＦＣ１０の発電電力は、系統連系リレー２５がオン状態のとき、系統電力網４０と連系状態となり、系統連系リレー２５がオフ状態のとき、解列状態となり、ＳＯＦＣ１０は自立運転を行う。

連系運転時には、ＳＯＦＣ１０の発電電力が系統に給電され、自立運転時には、定格最大電力よりも小さい負荷で発電電力が装置内で消費される。

図１Ｂに示すように、ＤＣ／ＡＣ変換部２０と系統連系リレー２５の間の電力伝送路からは、系統電力網４０（系統連系リレー２５）がＳＯＦＣ１０との連系状態から解列状態に切り換わったときのＳＯＦＣ１０で発電した電力の一部である余剰電力を伝送する余剰電力伝送路Ｌを設けてもよい。この余剰電力伝送路Ｌは、排熱回収循環系６０の排熱回収循環ライン（図示略）に設けられたヒータ（図示略）に接続されていてもよい。

余剰電力伝送路Ｌには、リレースイッチＬＳが設けられている。リレースイッチＬＳがオン状態のとき、余剰電力伝送路Ｌを介して排熱回収循環系６０に余剰電力が伝送可能となり、リレースイッチＬＳがオフ状態のとき、余剰電力伝送路Ｌが遮断されて排熱回収循環系６０に余剰電力が伝送不能となる。

系統連系リレー２５とリレースイッチＬＳは、例えば、一方がオン状態のときに他方がオフ状態となるように制御される。勿論、系統連系リレー２５とリレースイッチＬＳの双方がオン状態またはオフ状態となる時間帯があるように制御されてもよい。図１Ｂでは、系統連系リレー２５とリレースイッチＬＳの双方がオフ状態の場合を描いている。

図示は省略しているが、ＤＣ／ＡＣ変換部２０と系統連系リレー２５の間の電力伝送路からは、上述した余剰電力伝送路Ｌとは別の電力伝送路を分岐させてもよい。この別の電力伝送路は、ＤＣ／ＡＣ変換部２０や、図示していないポンプ、ブロワ、ラジエータなどの燃料電池システム１に搭載された機器に接続し、電力伝送路を介して、系統電力網４０との連系／解列状態に係らず、ＳＯＦＣ１０または系統電力網３０のいずれかから電力を供給されて駆動できるようにしてもよい。

燃焼器５０は、ＳＯＦＣ１０から排出された排出ガスを燃焼させることで、当該排出ガス中に残留している燃料成分を除去する。

排熱回収循環系６０は、燃焼器５０からの燃焼ガス（排出ガス）の熱を回収する。排熱回収循環系６０は、排熱回収のための熱媒体としての水（温水）が循環される排熱回収循環ライン（図示略）を有している。この排熱回収循環ラインには、排熱回収熱交換器、温水熱交換器、ヒータ、ラジエータ、ポンプ等の各種の反応器（いずれも図示略）が設けられている。排熱回収循環系６０による排熱回収後のガスは、燃料電池システム１の外部に排気される。

図２は、分流回路３０の内部構成を示すブロック図である。図２は、分流回路３０とＳＯＦＣ１０、ＤＣ／ＡＣ変換部２０及び系統電力網４０との位置関係が図１Ａ、図１Ｂと異なっているが、これは作図の便宜上の理由によるものである（図１Ａ、図１Ｂと図２は等価である）。

分流回路３０は、放電抵抗３１と、リレースイッチ（切換部）３２と、開閉制御部（切換部）３３とを有している。放電抵抗３１とリレースイッチ３２は、アース３４に接地されている。

放電抵抗３１は、ＳＯＦＣ１０が発生した直流電流の一部を伝送路ＤＬから引き抜く（分流して消費することで伝送路ＤＬから逃がす）。放電抵抗３１の抵抗値は、ＳＯＦＣ１０の起動時（無負荷時）の開回路電圧（ＯＣＶ：Open Circuit Voltage）が、ＳＯＦＣ１０のＩＶ特性より算出される高電圧（例えば直流で７５０Ｖ〜９５０Ｖ程度）となることを回避できるような負荷電流値に基づいて算出及び設定される。

リレースイッチ３２は、開閉制御部３３による開閉制御に従って、放電抵抗３１（分流回路３０）を伝送路ＤＬへの接続状態と非接続状態に切り換える。すなわち、リレースイッチ３２が閉状態のときに放電抵抗３１と伝送路ＤＬが接続状態となり、リレースイッチ３２が開状態のときに放電抵抗３１と伝送路ＤＬが非接続状態となる（図２は後者の場合を描いている）。

開閉制御部３３は、リレースイッチ３２の開閉制御を実行する。

開閉制御部３３は、ＳＯＦＣ１０の起動時までに（遅くてもＳＯＦＣ１０に燃料ガスと酸化剤ガスを供給開始する前に）、リレースイッチ３２を閉状態として、放電抵抗３１を伝送路ＤＬへの接続状態とする。

あるいは、開閉制御部３３は、ＳＯＦＣ１０の起動時のＯＣＶが所定の閾値電圧に到達したときに、リレースイッチ３２を開状態から閉状態に切り換えて、放電抵抗３１を伝送路ＤＬへの非接続状態から接続状態に切り換えてもよい。「所定の閾値電圧」は、ＳＯＦＣ１０のＩＶ特性より算出される高電圧よりも低い値（例えば６００Ｖ）に設定される。

開閉制御部３３は、ＤＣ／ＡＣ変換部２０に流れ込む直流電流が所定の閾値電流に到達したときに、リレースイッチ３２を閉状態から開状態に切り換えて、放電抵抗３１を伝送路ＤＬへの接続状態から非接続状態に切り換える。ここで、「所定の閾値電流」は、放電抵抗３１が伝送路ＤＬから引き抜く直流電流の値に設定することができる。すなわち、開閉制御部３３は、ＤＣ／ＡＣ変換部２０に流れ込む直流電流と放電抵抗３１が伝送路ＤＬから引き抜く直流電流が同一となったときに、リレースイッチ３２を閉状態から開状態に切り換えて、放電抵抗３１を伝送路ＤＬへの接続状態から非接続状態に切り換える。「所定の閾値電流」は、例えば、定格運転時の出力電流に対して１０％の値に設定することができる。

図３のタイミングチャート及び図４のフローチャートを参照して、燃料電池システム１の起動時から定格運転開始までの動作について説明する。図３のタイミングチャートにおいて、実線はＳＯＦＣ１０に掛かる電圧を示し、破線は分流回路３０を省略した場合にＳＯＦＣ１０に掛かる電圧を示し、一点鎖線は放電抵抗３１に流れる電流を示し、二点鎖線は発電負荷（例えば各種の補機）に流れる電流を示している。

ステップＳＴ１では、ＳＯＦＣ１０の起動前（ＳＯＦＣ１０に燃料ガスと酸化剤ガスを供給開始する前）の段階で、開閉制御部３３がリレースイッチ３２を閉状態として、放電抵抗３１を伝送路ＤＬへの接続状態とする。

ステップＳＴ２では、燃料ガスと酸化剤ガスをＳＯＦＣ１０に送り込むための空気ブロア（図示略）がオンされる。ステップＳＴ３では、燃料ガスと酸化剤ガスを加熱するための空気加熱機構（図示略）がオンされる。ステップＳＴ４では、ＳＯＦＣ１０の温度が所定値以上であるか否かが判定される。ＳＯＦＣ１０の温度が所定値以上であれば（ステップＳＴ４：Ｙｅｓ）、ステップＳＴ５に進む。ＳＯＦＣ１０の温度が所定値未満であれば（ステップＳＴ４：Ｎｏ）、ＳＯＦＣ１０の温度が所定値以上になるのを待つ。

ステップＳＴ５では、ＳＯＦＣ１０への燃料ガスと酸化剤ガスの供給が開始され、ＳＯＦＣ１０のＯＣＶが立ち上がり始める（図３参照）。この時点で既に、リレースイッチ３２が閉状態であり、放電抵抗３１（分流回路３０）と伝送路ＤＬが接続状態となっている。このため、放電抵抗３１を利用して、ＳＯＦＣ１０が発電した直流電流の一部が伝送路ＤＬから引き抜かれる（図３の一点鎖線を参照）。その結果、ＳＯＦＣ１０のＯＣＶを、分流回路３０を省略した場合よりも抑制することができる（図３の実線と破線を参照）。

ステップＳＴ６では、ＳＯＦＣ１０のＯＣＶが所定の閾値電圧以上であるか否かが判定される。ＳＯＦＣ１０のＯＣＶが所定の閾値電圧以上であれば（ステップＳＴ６：Ｙｅｓ）、ステップＳＴ７に進む。ＳＯＦＣ１０のＯＣＶが所定の閾値電圧未満であれば（ステップＳＴ６：Ｎｏ）、ＳＯＦＣ１０のＯＣＶが所定の閾値電圧以上になるのを待つ。

ステップＳＴ７では、ＳＯＦＣ１０への燃料ガスと酸化剤ガスの供給量が所定値以上であるか否かが判定される。ＳＯＦＣ１０への燃料ガスと酸化剤ガスの供給量が所定値以上であれば（ステップＳＴ７：Ｙｅｓ）、ステップＳＴ８に進む。ＳＯＦＣ１０への燃料ガスと酸化剤ガスの供給量が所定値未満であれば（ステップＳＴ７：Ｎｏ）、ＳＯＦＣ１０への燃料ガスと酸化剤ガスの供給量が所定値以上となるのを待つ。

ステップＳＴ８では、ＳＯＦＣ１０の発電電力が発電負荷（例えば各種の補機）に投入開始される。これにより、発電負荷に流れる電流が上昇を開始する（図３の二点鎖線を参照）。この時点では、リレースイッチ３２が閉状態であり、放電抵抗３１が、ＳＯＦＣ１０が発電した直流電流の一部を伝送路ＤＬから引き抜いている（図３中の一点鎖線と二点鎖線が時間的に重なっている）。

ステップＳＴ９では、ＤＣ／ＡＣ変換部２０に流れ込む直流電流が所定の閾値電流以上であるか否か（あるいはＤＣ／ＡＣ変換部２０に流れ込む直流電流と放電抵抗３１が伝送路ＤＬから引き抜く直流電流が同一であるか否か）が判定される。ＤＣ／ＡＣ変換部２０に流れ込む直流電流が所定の閾値電流以上であれば（ステップＳＴ９：Ｙｅｓ）、ステップＳＴ１０に進む。ＤＣ／ＡＣ変換部２０に流れ込む直流電流が所定の閾値電流未満であれば（ステップＳＴ９：Ｎｏ）、ＤＣ／ＡＣ変換部２０に流れ込む直流電流が所定の閾値電流以上となるのを待つ。

ステップＳＴ１０では、開閉制御部３３が、リレースイッチ３２を閉状態から開状態に切り換えて、放電抵抗３１（分流回路３０）を伝送路ＤＬへの接続状態から非接続状態に切り換える。この時点では、ＳＯＦＣ１０の発電電力が発電負荷に投入されているので、ＳＯＦＣ１０の電圧が不用意に高くなりすぎることはなく、定格電圧に向かって徐々に収束していく。

ステップＳＴ１１では、ＳＯＦＣ１０の発電電力が定格最大電力に収束した定常運転であるか否かが判定される。定常運転であれば（ステップＳＴ１１：Ｙｅｓ）、処理を終了し、定常運転でなければ（ステップＳＴ１１：Ｎｏ）、定常運転となるのを待つ。

図３のタイミングチャートに示すように、第１実施形態では、ＳＯＦＣ１０の起動前の段階で、開閉制御部３３がリレースイッチ３２を閉状態として、放電抵抗３１を伝送路ＤＬへの接続状態とする。このため、ＳＯＦＣ１０の起動と同時に、放電抵抗３１が、ＳＯＦＣ１０が発電した直流電流の一部を伝送路ＤＬから引き抜き始める（分流して消費することで伝送路ＤＬから逃がし始める）（図３の一点鎖線を参照）。これにより、ＳＯＦＣ１０のＯＣＶを、分流回路３０を省略した場合よりも抑制することができる（図３の実線と破線を参照）。

≪第２実施形態≫
図５は、第２実施形態の分流回路３０’の内部構成を示すブロック図である。第２実施形態の分流回路３０’は、第１実施形態の分流回路３０の構成において、切換部としてのリレースイッチ３２及び開閉制御部３３を省略して、その代わりにツェナーダイオード（定電圧ダイオード）３５を設けたものである。

ツェナーダイオード３５は、ＳＯＦＣ１０のＯＣＶが所定の閾値電圧未満であるときは、放電抵抗３１（分流回路３０’）を伝送路ＤＬへの非接続状態とし、ＳＯＦＣ１０のＯＣＶが所定の閾値電圧以上であるときは、放電抵抗３１（分流回路３０’）を伝送路ＤＬへの接続状態とするような素子特性を有している。「所定の閾値電圧」は、ツェナーダイオード３５のアバランシェ降伏電圧と同一の値か、それより若干量だけ小さい値に設定されている。

図６のタイミングチャート及び図７のフローチャートを参照して、第２実施形態の燃料電池システム１の起動時から定格運転開始までの動作について説明する。図６のタイミングチャートにおいて、実線はＳＯＦＣ１０に掛かる電圧を示し、破線は分流回路３０’を省略した場合にＳＯＦＣ１０に掛かる電圧を示し、一点鎖線は放電抵抗３１に流れる電流を示し、二点鎖線は発電負荷（例えば各種の補機）に流れる電流を示している。

第２実施形態の図７のフローチャートは、第１実施形態の図４のフローチャートと基本的に同一であるが、以下の点において相違している。
（１）ＳＯＦＣ１０の起動前の段階でリレースイッチ３２を閉状態として放電抵抗３１を伝送路ＤＬへの接続状態とするステップＳＴ１が省略されている。つまり、ＳＯＦＣ１０の起動時には、リレースイッチ３２が開状態であり放電抵抗３１が伝送路ＤＬへの非接続状態である。
（２）ＳＯＦＣ１０の起動時のＯＣＶが所定の閾値電圧以上であるとき（ステップＳＴ６：Ｙｅｓ）、ステップＳＴ６’において、ツェナーダイオード３５の素子特性により、放電抵抗３１（分流回路３０’）が伝送路ＤＬへの非接続状態から接続状態に切り換えられる。
（３）ＤＣ／ＡＣ変換部２０に流れ込む直流電流が所定の閾値電流以上であるとき（ステップＳＴ９：Ｙｅｓ）、ステップＳＴ１０’において、ツェナーダイオード３５の素子特性により、放電抵抗３１（分流回路３０’）が伝送路ＤＬへの接続状態から非接続状態に切り換えられる。

図６のタイミングチャートに示すように、第２実施形態では、ＳＯＦＣ１０の起動時のＯＣＶが所定の閾値電圧に到達したときに、ツェナーダイオード３５がアバランシェ降伏を起こすことで、放電抵抗３１（分流回路３０’）が伝送路ＤＬへの非接続状態から接続状態に切り換えられる。その結果、放電抵抗３１が、ＳＯＦＣ１０が発電した直流電流の一部を伝送路ＤＬから引き抜く（分流して消費することで伝送路ＤＬから逃がす）（図６の一点鎖線を参照）。これにより、ＳＯＦＣ１０のＯＣＶを、分流回路３０’を省略した場合よりも抑制することができる（図６の実線と破線を参照）。

≪第３実施形態≫
図８は、第３実施形態のＳＯＦＣ１０のセルスタック及び各セルの直並列切換機構の構成を示す概念図である。ＳＯＦＣ１０は、第１セル１０−１と第２セル１０−２を積層して構成されたセルスタックを有している。図８では、第１セル１０−１と第２セル１０−２を電源部として機能的に描いている。第１セル１０−１と第２セル１０−２がそれぞれ２５ｋＷを出力可能な場合、ＳＯＦＣ１０が５０ｋＷを出力可能である。

ＳＯＦＣ１０は、直並列切換機構として、直流電流の伝送路ＤＬから二股に分岐した後に再び合流する第１伝送路ＤＬ１及び第２伝送路ＤＬ２、並びに、第１伝送路ＤＬ１及び第２伝送路ＤＬ２の中間部同士を接続する第３伝送路ＤＬ３を有している。第１伝送路ＤＬ１に第１セル１０−１が設けられ、第２伝送路ＤＬ２に第２セル１０−２が設けられている。第３伝送路ＤＬ３は、第１伝送路ＤＬ１の第１セル１０−１より上流側の部分と、第２伝送路ＤＬ２の第２セル１０−２より下流側の部分とを接続している。第１伝送路ＤＬ１の第３伝送路ＤＬ３との接続部より上流側には第１スイッチＳＷ１が設けられ、第２伝送路ＤＬ２の第３伝送路ＤＬ３との接続部より下流側には第２スイッチＳＷ２が設けられている。第３伝送路ＤＬ３の中間部には第３スイッチＳＷ３が設けられている。ＳＯＦＣ１０には、第１スイッチＳＷ１〜第３スイッチＳＷ３の開閉状態を切り換える開閉制御部（図示略）が設けられている。

図９Ａに示すように、開閉制御部により、第１スイッチＳＷ１と第２スイッチＳＷ２を閉状態とし、第３スイッチＳＷ３を開状態としたとき、第１セル１０−１と第２セル１０−２が電気的に並列に接続される。

図９Ｂに示すように、開閉制御部により、第１スイッチＳＷ１と第２スイッチＳＷ２を開状態とし、第３スイッチＳＷ３を閉状態としたとき、第１セル１０−１と第２セル１０−２が電気的に直列に接続される。

図１０のタイミングチャート及び図１１のフローチャートを参照して、第３実施形態の燃料電池システム１の起動時から定格運転開始までの動作について説明する。図１０のタイミングチャートにおいて、実線はＳＯＦＣ１０に掛かる電圧を示し、破線は第３実施形態の制御を行わなかった場合にＳＯＦＣ１０に掛かる電圧を示している。第３実施形態の制御は、第１、第２実施形態の制御と合わせて実行することもできるし、第１、第２実施形態の制御と独立して実行することもできる。前者の場合、第１、第２実施形態の分流回路３０（放電抵抗３１）による伝送路ＤＬからの直流電流の引き抜き制御と、第３実施形態の直並列切換機構による第１セル１０−１と第２セル１０−２の直並列切換制御とが並行して実行される。

ステップＳＴ１”では、開閉制御部（図示略）が、第１スイッチＳＷ１と第２スイッチＳＷ２を閉状態とし、第３スイッチＳＷ３を開状態とすることで、第１セル１０−１と第２セル１０−２が電気的に並列に接続される（図９Ａ参照）。

ステップＳＴ２”では、燃料ガスと酸化剤ガスをＳＯＦＣ１０に送り込むための空気ブロア（図示略）がオンされる。ステップＳＴ３”では、燃料ガスと酸化剤ガスを加熱するための空気加熱機構（図示略）がオンされる。ステップＳＴ４”では、ＳＯＦＣ１０の温度が所定値以上であるか否かが判定される。ＳＯＦＣ１０の温度が所定値以上であれば（ステップＳＴ４”：Ｙｅｓ）、ステップＳＴ５”に進む。ＳＯＦＣ１０の温度が所定値未満であれば（ステップＳＴ４”：Ｎｏ）、ＳＯＦＣ１０の温度が所定値以上になるのを待つ。

ステップＳＴ５”では、ＳＯＦＣ１０への燃料ガスと酸化剤ガスの供給が開始され、ＳＯＦＣ１０のＯＣＶが立ち上がり始める（図１０参照）。このとき、第１セル１０−１と第２セル１０−２が電気的に並列に接続されているので、ＳＯＦＣ１０のＯＣＶを、本実施形態の制御を行わなかった場合よりも抑制することができる（図１０の実線と破線を参照）。

ステップＳＴ６”では、ＳＯＦＣ１０のＯＣＶが第１の閾値電圧以上であるか否かが判定される。ＳＯＦＣ１０のＯＣＶが第１の閾値電圧以上であれば（ステップＳＴ６”：Ｙｅｓ）、ステップＳＴ７”に進む。ＳＯＦＣ１０のＯＣＶが第１の閾値電圧未満であれば（ステップＳＴ６”：Ｎｏ）、ＳＯＦＣ１０のＯＣＶが第１の閾値電圧以上となるのを待つ。「第１の閾値電圧」は、例えば４００Ｖに設定することができる。

ステップＳＴ７”では、ＳＯＦＣ１０が発電した直流電流の一部を、ＤＣ／ＡＣ変換部２０と放電抵抗３１の少なくとも一方により引き抜く（小負荷引き抜き）。これにより、ＳＯＦＣ１０のＯＣＶが第１の閾値電圧から徐々に下がり始める（図１０参照）。

ステップＳＴ８”では、ＳＯＦＣ１０のＯＣＶが第１の閾値電圧より低い第２の閾値電圧以下であるか否かが判定される。ＳＯＦＣ１０のＯＣＶが第２の閾値電圧以下であれば（ステップＳＴ８”：Ｙｅｓ）、ステップＳＴ９”に進む。ＳＯＦＣ１０のＯＣＶが第２の閾値電圧より大きければ（ステップＳＴ８”：Ｎｏ）、ＳＯＦＣ１０のＯＣＶが第２の閾値電圧以下となるのを待つ。「第２の閾値電圧」は、例えば３００Ｖに設定することができる。

ステップＳＴ９”では、開閉制御部（図示略）が、第１スイッチＳＷ１と第２スイッチＳＷ２を開状態とし、第３スイッチＳＷ３を閉状態とすることで、第１セル１０−１と第２セル１０−２が電気的に直列に接続される（図９Ｂ参照）。これにより、ＳＯＦＣ１０のＯＣＶが、高電圧低電流の低損失運転を可能にするべく上昇していく（図１０参照）。

ステップＳＴ１０”では、ＳＯＦＣ１０の発電電力が発電負荷（例えば各種の補機）に投入開始される。

ステップＳＴ１１”では、ＳＯＦＣ１０の発電電力が定格最大電力に収束した定常運転であるか否かが判定される。定常運転であれば（ステップＳＴ１１”：Ｙｅｓ）、処理を終了し、定常運転でなければ（ステップＳＴ１１”：Ｎｏ）、定常運転となるのを待つ。

≪第４実施形態≫
図１２は、第４実施形態のＳＯＦＣ１０のセルスタック及び各セルの直並列切換機構の構成を示す概念図である。この第４実施形態では、第１伝送路ＤＬ１〜第３伝送路ＤＬ３を跨ぐようにして、終端部コンデンサＥＣを設けている。この終端部コンデンサＥＣにより、直並列切換のために第１スイッチＳＷ１〜第３スイッチＳＷ３を開閉操作したときのサージ電圧を抑制することができる。

以上説明した第１実施形態〜第４実施形態の燃料電池システム１によれば、ＳＯＦＣ１０の高い発電効率を維持しつつ、ＳＯＦＣ１０からの直流電流の伝送路ＤＬに分流回路３０を設けるだけ、及び／又は、ＳＯＦＣ１０の第１セル１０−１と第２セル１０−２の直並列切替機構を設けるだけの簡単な構成かつ低コストで、ＳＯＦＣ１０の起動時のＯＣＶを抑制して安定的な運転を実現することができる。

なお、本発明は上記実施の形態に限定されず、種々変更して実施することが可能である。上記実施の形態において、添付図面に図示されている構成要素の大きさや形状、機能などについては、これに限定されず、本発明の効果を発揮する範囲内で適宜変更することが可能である。その他、本発明の目的の範囲を逸脱しない限りにおいて適宜変更して実施することが可能である。

上記第１、第２実施形態では、放電抵抗３１を伝送路ＤＬへの接続状態と非接続状態に切り換える「切換部」として、リレースイッチ３２又はツェナーダイオード３５を用いた場合を例示して説明したが、「切換部」の構成はこれらに限定されることはない。例えば、「切換部」として、マグネティックコンタクタや自己消弧型半導体素子などを用いてもよいし、これらの複数を組み合わせて使用してもよい（例えば上流側にリレースイッチを配置して下流側にツェナーダイオードを配置してもよい）。すなわち、放電抵抗３１を伝送路ＤＬへの接続状態と非接続状態に切り換える機能を有する限りにおいて、「切換部」の構成には自由度がある。

上記第３、第４実施形態では、ＳＯＦＣ１０が第１セル１０−１と第２セル１０−２を積層したセルスタックを有する場合を例示して説明したが、ＳＯＦＣ１０のセルスタックを構成するセルの積層数はこれに限定されず、３つ以上のセルを積層したセルスタックとしてもよい。

上記第１〜第４実施形態では、ＳＯＦＣ１０と排熱回収循環系６０の間に燃焼器５０を設けているが、この燃焼器５０を省略して、ＳＯＦＣ１０から排出された排出ガスを直接的に排熱回収循環系６０に導いてもよい。

本発明の燃料電池システムは、家庭用、業務用、その他のあらゆる産業分野の燃料電池システムに適用して好適である。

１ 燃料電池システム
１０ 固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ：Solid Oxide Fuel Cell）
１０−１ 第１セル
１０−２ 第２セル
１２ 燃料ガス流路（アノードガス流路）
１４ 酸化剤ガス流路（カソードガス流路）
１６ リサイクルガス流路
２０ ＤＣ／ＡＣ変換部
２５ 系統連系リレー
３０ ３０’ 分流回路
３１ 放電抵抗
３２ リレースイッチ（切換部）
３３ 開閉制御部（切換部）
３４ アース
３５ ツェナーダイオード（定電圧ダイオード）
４０ 系統電力網
５０ 燃焼器
６０ 排熱回収循環系
ＤＬ 直流電流の伝送路
ＤＬ１ 第１伝送路（直並列切換機構）
ＤＬ２ 第２伝送路（直並列切換機構）
ＤＬ３ 第３伝送路（直並列切換機構）
ＳＷ１ 第１スイッチ（直並列切換機構）
ＳＷ２ 第２スイッチ（直並列切換機構）
ＳＷ３ 第３スイッチ（直並列切換機構）
ＥＣ 終端部コンデンサ
Ｌ 余剰電力伝送路
ＬＳ リレースイッチ

Claims (2)

1. 燃料ガスと酸化剤ガスの電気化学反応により発電し、且つ、複数のセルを積層して構成されたセルスタックを有する固体酸化物形燃料電池と、
   前記固体酸化物形燃料電池が発電した直流電流を交流電流に変換するＤＣ／ＡＣ変換部と、
   前記固体酸化物形燃料電池から前記ＤＣ／ＡＣ変換部への直流電流の伝送路に接続可能な分流回路と、
   を有し、
   前記分流回路は、
   前記固体酸化物形燃料電池が発電した直流電流の一部を引き抜く放電抵抗と、
   前記放電抵抗を前記伝送路への接続状態と非接続状態に切り換える切換部と、
   を有し、
   前記切換部は、前記固体酸化物形燃料電池の起動時までに又は前記固体酸化物形燃料電池の起動時の開回路電圧が所定の閾値電圧に到達したときに、前記放電抵抗を前記伝送路への非接続状態から接続状態に切り換え、
   前記切換部は、前記ＤＣ／ＡＣ変換部に流れ込む直流電流が所定の閾値電流に到達したときに、前記放電抵抗を前記伝送路への接続状態から非接続状態に切り換え、
   前記固体酸化物形燃料電池は、前記セルスタックの各セルを電気的に直列に接続するか並列に接続するかを切り換える直並列切換機構を有し、
   前記固体酸化物形燃料電池の起動時には、前記直並列切換機構が、前記セルスタックの各セルを電気的に並列に接続し、
   前記固体酸化物形燃料電池の開回路電圧が第１の閾値電圧に到達したときに、前記固体酸化物形燃料電池が発電した直流電流の一部を前記ＤＣ／ＡＣ変換部と前記放電抵抗の少なくとも一方により引き抜き、
   前記固体酸化物形燃料電池の開回路電圧が前記第１の閾値電圧より低い第２の閾値電圧まで下がったときに、前記直並列切換機構が、前記セルスタックの各セルを電気的に直列に接続する、
   ことを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記切換部は、マグネティックコンタクタ、リレースイッチ、ツェナーダイオード及び自己消弧型半導体素子のいずれか１つ又は複数の組み合わせから構成されることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。

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