JPH04121971A - 燃料電池発電装置の保護停止方法 - Google Patents

燃料電池発電装置の保護停止方法

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JPH04121971A
JPH04121971A JP2240225A JP24022590A JPH04121971A JP H04121971 A JPH04121971 A JP H04121971A JP 2240225 A JP2240225 A JP 2240225A JP 24022590 A JP24022590 A JP 24022590A JP H04121971 A JPH04121971 A JP H04121971A
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JP
Japan
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fuel cell
voltage
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fuel
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JP2240225A
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Shunsuke Oga
俊輔 大賀
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Fuji Electric Co Ltd
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Fuji Electric Co Ltd
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Publication date
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    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、燃料処理装置、空気供給製置、電力変換装
置を含む燃料電池発電装置の保護停止方法に関する。
(従来の技術〕 燃料電池発電装置は、化石燃料、炭化水素燃料等を水蒸
気改質して水素り・7チな燃料ガスにとして燃料電池の
燃料極に供給し、酸化剤としての空気を空気極に供給す
ることにより、両極間で電気化学反応に基づく発電を行
うものであり、その発電電力は電力変換器で負荷に好適
な電圧、電流値に制御して外部負荷に供給される。また
、出力電圧、電流の制御は外部負荷上昇指令、下降指令
を受けた制御装置が発する制御信号により、燃料ガスや
空気の供給量、および燃料電池の出力電力を協調制御す
ることによって行われる。
上述の燃料電池発電装置に負荷の上昇指令があった場合
、電力変換装置はミリセカンド以下の速度で応答するが
、燃料電池の応答は、燃料処理装置および空気処理装置
の応答に律せられて、応答が遅くなるのが一般的である
。その理由は、燃料処理装置はその応答プロセスにおい
て、改質量(反応量)の増加という化学反応を含んでい
ることと、配管中のガスの移動という物質移動の過程を
含むためである。
〔発明が解決しようとする課題〕
負荷上昇指令により発電装置をフィードフォワード制御
する場合、電力変換装置は目標電力に指令値を設定し、
また反応ガス(燃料ガス、反応空気)の供給装置も目標
値に指令値を設定する。ところが、反応ガスの供給遅れ
のために一時的に燃料電池に反応ガスの不足状態が発生
する。反応ガスの不足状態は燃料電池の出力電圧の低下
を招くので、電力変換装置は燃料電池の出力電流を増し
て出力電力をその目標値に維持しようとする。その結果
、出力電圧が益々低下する悪循環が起こりついには燃料
電池がガス欠に陥る。
さらに、複数の単位セルの積層体(スタック)からなる
燃料電池は、積層位置により単位セル温度に差があり、
かつ反応ガスの流れ易さにも差があり、これらがガス欠
を助長する原因になる。その結果、反応ガスが流れ難い
単位セルで発電性能が著しく低下し、セル電位が逆転し
て単位セルが損傷したり、あるいは電極間の差圧が増し
て反応ガスの吹き抜けが生ずるなどの障害が発生し、燃
料電池の運転が不可能になる事態に発展する。
燃料電池の出力低下の原因としては上記の他に、燃料処
理装置の不具合による燃料ガスの組成変化反応ガスの供
給配管系の破損によるガス不足などがあり、この場合も
発電運転が不可能になる事態が発生する。
このような事態の発生を防くために、燃料電池の直流出
力電圧を監視し、その値が所定レベル以下に低下した場
合、発電装置の運転を停止する(保護停止という)方法
が知られている。ところが、上記所定のレヘル(以下制
限電圧と呼ふ)が定格(100%)出方時の直流出力電
圧を基準にしてこれより低い一定電圧値に決められてい
るために、100%負荷に近い運転状態では保護停止を
有効に掛けられるが、低負荷状態、言い換えればセル電
圧が高い状態では、制限電圧との差が大きいために、ガ
ス不足による電圧低下が制限電圧にまで低下する時点で
既に燃料電池の損傷が発生してしまい、保護停止が有効
に機能しないという問題が発生する。
この発明の目的は、広い負荷領域にわたって保護停止が
有効に機能し、燃料電池の傷害を防止できる燃料電池発
電装置の保護停止方法を得ることにある。
1課題を解決するための手段〕 上記課題を解決するために、この発明によれば、燃料電
池、およびその出力側に配された電力変換装置と、前記
燃料電池に燃料ガスを供給する燃料処理装置、および空
気供給装置とを含む燃料電池発電装置において、前記燃
料電池の直流出力電圧および直流出力電流を監視し、こ
の電圧値が前記燃料電池の直流出力電流値に対応して決
まる所定の制限電圧以下に低下したとき、運転状態にあ
る前記燃料電池発電装置を保護停止することとする。
また、所定の制限電圧が燃料電池の出方電圧対電流特性
に基づき電流値に対応して決まる定常の電圧値の0.8
倍から0.9倍の範囲にあることとする。さらに、制限
電圧がこれに対応する直流出力電流値の関数として記憶
され、直流出方電流の実際値により読み出された制限電
圧値と直流比カ電圧実際埴との比較結果に基づき燃料電
池発電装置の保護停止を行うこととする。
[作用] この発明の構成において、保護停止をがける制限電圧を
直流出力電流値に対応して決めるよう構成したことによ
り、燃料電池の出力電力の広い範囲に渡ってほぼ一定の
電圧低下率を保持して保護停止をかけることが可能にな
り、軽負荷領域から定格負荷領域にわたり反応ガスの供
給不足を電圧低下により検知して遅滞なく保護停止でき
る機能が得られる。また、制限電圧を定常値の80ない
し90%とすることにより、誤判断を伴わずに確実に燃
料電池を保護停止させることができる。
さらに、制限電圧を直流出力電流に対応してROM等の
記憶素子にあらかじめ記憶させ、直流出力電流実際値に
より読み出した制限電圧をしきい値として、直流出力電
圧実際値がこれを下回ったとき燃料電池発電装置の制御
回路に保護停止を指令するよう構成することにより、比
較的簡単な装置を用いて燃料電池発電装置の保護停止を
確実かつ早期に実施することができる。
〔実施例〕
以下、この発明を実施例に基づいて説明する。
第1図はこの発明の実施例になる燃料電池発電装置の保
護停止方法を説明するためのシステム構成図である。図
において、1は燃料電池、2は燃料処理装置、3は電力
変換装置、4は天然ガス、メタノール等原燃料の貯蔵タ
ンク、5はコンプレッサ、ターボコンプレッサ等の空気
供給装置、6はポンプ、操作弁等の補具制御部、9は電
力変換装置の制御部、10はシステム全体をコントロー
ルする演算制御部である。原燃料が天然ガスである場合
、燃料解質器2B、脱硫器2A、Co変成器2C,制御
弁2D、支燃空気ブロワ2E等からなる燃料処理袋W2
が天然ガスを水蒸気改質して生成する燃料ガスを燃料電
池の燃料極に供給し、空気処理袋W5から突気極に空気
を供給することにより、燃料電池1て発電が行われ、電
力変換装置3で燃料電池の直流出力電圧、直流出力電流
が指令電力値に相応する値に制御されて外部負荷に供給
される。
また、発電量の制御は、外部負荷指令を受けた演算制御
部が反応ガス量を求めて補具制御部6に送る制御信号に
より燃料解質装置および燃料電池の化学反応量を制御す
るとともに、演算制御部が指令電力に相応する電流値、
電圧値を求め、制御部9を介して電力変換装置を制御す
ることにより行われる。
このように構成された燃料電池発電装置の保護停止装置
は、燃料電池1の直流出力電圧Vd、および直流出力電
流1dを電圧検出器7.電流検出器8でそれぞれ監視し
、検出信号7S、O3を受けた保護停止手段11が発す
る指令信号11.3により、演算制御部10が燃料処理
装置、燃料電池の化学反応量を零に絞り、電力変換装置
の出力を零に絞る信号を出力させることによって達成さ
れる。
第2図は実施例方法における制限電圧の決め方を説明す
るための直流出力電圧対直流出力電流特性(電池特性と
呼ぶ)線図である0図において、制限電圧曲線200は
、電池特性曲線100において直流出力電流値1dに対
応する直流出力電圧値Vdの0.8倍ないし0.9倍の
範囲に決められる。すなわち、電流1a、Tbに相応す
る曲線100上の電圧値をVa、Vbとすると、制限電
圧VSは例えばそれぞれ0.9Va、0.9Vbに設定
される。なお、上述の制限電圧vSは、曲線100上の
電圧値Vdに近い程燃料電池の保護にとって安全である
が、近づき過ぎると反応ガス供給の僅かなふらつきによ
っても保護停止が掛かる誤動作が生じやすくなるので、
制限電圧を上述の範囲とすれば、動作が確実で、ガス不
足を早期に検知して燃料電池の損傷や特性劣化を防止で
きる保護停止方法を得ることができる。
一方、保護停止手段11における指令信号lISの発生
方法としては、第2図における制限電圧■Sを直流出力
電流1dの関数としてROM等の記憶素子にあらかじめ
記憶させておき、直流出力電流1dの実際値(検出値8
S)を続出信号として対応する制限電圧値を読み出し、
これを電圧検出器7で検出した直流出力電圧の実際値7
Sと比較し、実際値7Sが制限電圧■Sを下回ったとき
、保護停止を指令する信号11Sを出力することにより
、信号llSを外部指令信号より優先して受けた演算制
御部10が化学反応量および燃料電池の出力を零に絞る
信号を補具制御部6および制御部9に向けて出力する。
これにより、燃料電池の反応ガス不足は軽い段階で検知
され、反応ガスの生成量および供給量の低減と直流出力
電流の低減とが互いに協調して制御されるので、燃料電
池が顕著なガス欠とならない時点で、燃料電池発電装置
の運転を停止させることができる。
なお、この方法によれば、燃料ガスの変化をもたらすよ
うな燃料解質装置の故障や、配管やマニホールドなどか
らのガス漏れなどの故障も、ガス不足を伴う電圧低下と
して早期に検知され、保護停止が掛かるので、これらの
故障による燃料電池の劣化や漏れた可燃性ガスへの引火
事故なども未然に防止できる利点が得られる。
〔発明の効果〕
この発明は前述のように、保護停止をかける制限電圧を
直流出力電圧債に対応して決めるよう構成した。その結
果、燃料電池の出力電力の広い範囲に渡ってほぼ一定の
電圧低下率を保持して保護停止をかけることが可能にな
り、定格電圧値を基準に保護停止をかける従来の保護停
止方法で問題になった、制限電圧と直流出力電圧との差
が低負荷領域で大きくなり過ぎることが原因で生ずる反
応ガス不足と、このガス不足による燃料電池の劣化や性
能低下が回避され、したがって軽負荷領域から定格負荷
領域にわたり反応ガスの供給不足を電圧低下により検知
して遅滞なく保護停止できる機能ををする燃料電池発電
装置の保護停止方法を提供することができる。
また、制限電圧を燃料電池の電池特性の電流値に対応し
て決まる定常の電圧値の80ない′−90%とすること
により、運転中の電圧のふらつきなどの影響を排除して
誤判断を伴わず、かつガス不足に到らない早期に電圧低
下を検知して確実に燃料電池を保護停止させることがで
きる。したがって、反応ガス供給の遅れはもとより、単
位セル相互の温度差、燃料ガスの組成変化やガス漏れ等
装置の不具合に起因する反応ガス不足も直流出力電圧の
低下として早期に検知して保護停止することになり、故
障の拡大を未然に防止でき、燃料電池発電装置の信顛性
および寿命時間の向上に貢献することができる。
さらに、制限電圧を直流出力電流に対応してROM等の
記憶素子にあらかじめ記憶させ、直流出力電流実@値に
より呼び出した制限電圧をしきい値として、直流出力電
圧実際値がこれを下回ったとき燃料電池発電装置の制御
回路に保護停止を指令するよう構成することにより、比
較的簡単な装置を用いて燃料電池発電装置の保護停止を
早期かつ確実に実施できる利点が得られる。
【図面の簡単な説明】
第1図はこの発明の実施例になる燃料電池発電装置の保
護停止方法を説明するための概略システム構成図、第2
図は実施例方法における制限電圧の決め方を説明するた
めの直流出方電圧対直流出力電流特性線図である。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1)燃料電池およびその出力側に配された電力変換装置
    と、前記燃料電池に燃料ガスを供給する燃料処理装置、
    および空気供給装置とを含む燃料電池発電装置において
    、前記燃料電池の直流出力電圧および直流出力電流を監
    視し、この電圧値が前記燃料電池の直流出力電流値に対
    応して決まる所定の制限電圧以下に低下したとき、運転
    状態にある前記燃料電池発電装置を保護停止することを
    特徴とする燃料電池発電装置の保護停止方法。 2)所定の制限電圧が燃料電池の出力電圧対電流特性に
    基づき電流値に対応して決まる定常の電圧値の0.8倍
    から0.9倍の範囲にあることを特徴とする請求項1記
    載の燃料電池発電装置の保護停止方法。 3)制限電圧がこれに対応する直流出力電流値の関数と
    して記憶され、直流出力電流の実際値により読み出され
    た制限電圧値と直流出力電圧実際値との比較結果に基づ
    き燃料電池発電装置の保護停止を行うことを特徴とする
    請求項1、または請求項2のいずれかに記載の燃料電池
    発電装置の保護停止方法。
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