JPS60138854A - 燃料電池の保護装置 - Google Patents

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】 ［発明の技術分野］ 本発明は、燃料電池の保護装置に関する。

［発明の技術的背県とその問題点］ 近年、新発電方式の１つとして、発電効率の高い燃料電
池発電システムの開発が内外共に活発に行われている。

第１図に酸素・水素燃料電池発電システムの一般的な回
路構成を示す。１は燃料電池で、多数のセル２を直列接
続してなり、酸素３．水素中の燃料から化学反応により
直流電力を発生する。この直流電力は、直流しゃ断器５
を介して、負荷装置６に供給される。負荷装置としては
、一般の直流負荷や、インバータと交流負荷の組合せな
どがある。７は公知の電圧抑制回路で、直流開閉器８と
抵抗器９の直列回路を、燃料電池直流出力に並列に接続
している。

第３図は、燃料電池と電圧抑制回路の電圧・電流特性で
ある。次にその動作を説明する。いま燃料電池発電シス
テムは定格運転を行っているとする。すなわち、直流し
ゃ断器５が投入されており、所定の酸素ガス３．水素ガ
ス４の燃わ１により、燃料電池の電圧・電流特性は、第
３図の曲線■で示され、動作点はＢ点で、その時の電圧
、電流は定格値Ｅｒ、）ｒである。ここで負荷装＠６に
短絡事故等が発生したとすると、図示しない保護装置に
より、直流しゃ断器５をトリップして負荷６を切離す。

このため燃料電池は無負荷となり、その出力電圧はＥＯ
どなる。この値は、定格電圧Ｅｒの１６０％程度であり
、１セル当りＩＶＰｉ！度といわれている。いずれにし
ても、この状態は燃料電池電極の劣化をきたすので、直
流しゃ断器５をトリップさせるための図示しない保護装
置からの信号により電圧抑制回路７の直流開閉器りを投
入し、抵抗器９に燃料電池出力を与える。第３図の直線
ＯＡは抵抗器９の特性であり、その抵抗値は曲線■との
交点Ａの電圧Ｅｈ、電流ＩＪＩがそれぞれ定格の１３０
％、２５％程度どなるように設計されている。

電圧［ｈは１　ｔル当り０．８ｖであり、燃料電池電圧
の許容上限値を与える。以上の動作と同時に、燃料電池
の運転を停止するため燃料ガス３，４の流量を図示しな
いバルブにより絞っていくが、酸素ガスと水素ガスの差
圧を許容値内に保つために、あまり急速に絞れないので
、流量が零になるまでは１５分程度かかり、その間、燃
料電池の電圧・電流特性は曲線■から■、■の曲線に移
行し、動作点はＡ点から、直線ＯＡ上で■どの交点、■
との交点というように電圧、電流共減少し、１５分後に
保護動作を終了する。

前述のように、事故などで直流しゃ断器５がトリップし
たときは、開閉器８により抵抗器９を接続し、燃料電池
出力電圧を上限許容値Ｆｌ）ＪＸ下に抑制できる。しか
しながら、燃料ガス流量が減少して下限電圧Ｅ、より小
さくなると、多数のセル間のバラツキにより、発電作用
から逆の現象であるいわゆる転極を起こすセルが出てく
る恐れがある。

この転極が発生すると、特性劣化につながるという問題
のあることがわかったっ ［発明の目的］ 本発明は、電圧抑制を上限値Ｅ　ｈど上限値［ｊＬの間
で行わせると共に、燃料電池発電システムの始動時、燃
料ガスの流ｍ不足で燃料電池の出力が少ない場合に、二
次電池から負荷に電力を短時間供給できることを可能に
した燃オ′セ１電池の保護装置を提供することを目的と
する。

［発明の概要］ 上記目的を達成するために、本発明では、電圧抑制のた
めに、抵抗器の他に二次電池を用いその充電電圧を利用
し、さらに態別電池発電プラントの始動時のバックアッ
プのために、上記二次電池を２つに分割し、それらを直
並列接続するＩＣめの開閉器を有するものである。

［発明の実施例］ 第２図は本発明の一実施例を示す回路図であり、第１図
と同一部分には同一符号を付し、その説明を省略し、こ
こでは異なる部分について述べる。

すなわら、第２図において、１０は抵抗器であり第１図
の場合より抵抗値は小さくてよい。１１ａ。

１１ｂは二次電池であり、直並列切換用開閉器１２゜１
３により二次電池を直並列に接続切換えができるように
するため２群に分けている。１４は、二次電池１１ａ、
１１１３から負荷に電力を供給するときに抵抗器１０に
よる損失を防ぐためのバイパス用ダイオードで、１５は
二次電池１１ａ、１１ｂから燃料電池１に逆流する′の
を防止するためのダイオードである。

次に本発明の作用について説明する。本発明は、燃料電
池発電システムの負荷装置６における事故時および該シ
ステムの始動時に、何らかの理由により、燃料ガス３，
４の流量の増加が遅れ、燃料電池１の出力増分が遅れた
時、すなわち燃料電池１の出力が定められた時間内にあ
るレベルにまで達しなかったときに負荷装置６に電力を
供給する場合に有効である。すなわち本発明は、燃第３
１電池発電システムの運転プロセスの２つのケースで作
用するが、その作用は互いに独立の関係にあるので、上
記２ケースにつき順に説明する。

■負荷装置６の事故時の作用 負荷装置６に短絡等の事故が発生したとすると、図示し
ない保護装置により直流しゃ断器５をトリップして負荷
装置６を切離す、このままでは、第１図の説明で述べた
ように燃１電池は無負荷となり出力電圧が上がり、燃料
電池電極の劣化をきたすので、直流しゃ断器５のトリッ
プとほぼ同時に直流開閉器１２ａ　、　１２ｂを投入す
る（１２ａ　、　１２ｂは連動とづ−る）。これにより
二次電池１１ａ　、　１１１）は並列に接続されること
にｔ；る。すなわち燃料電池１＋逆流防１トタイＡ−ド
１５−）抵抗器１０−Ｊ二次電池１１ａ、１１ｂ　（並
列接続）−〉燃料電池１というルートで電流が流れ続（
プることになる。これにより燃料電池１の無負荷状態を
なくすことができ、また二次電池の電圧により、燃料電
池１の出力電圧の低下も防止できる。以上のことを第３
図を用いて説明する。

抵抗器１（）の電圧・電流特性は、第３図において直線
ＯＣで示される。燃料電池電圧下限値Ｅλ　は、」−限
［ｈの１／２程度で、１セル当り０．４Ｖ程度である。

二次電池１１ａ、１１ｂは常時図示しない充電器にＪ：
す、ぼは１００％充電状態にしておき、その開放電圧は
Ｄ点で示される。電流［Ｊ！が充電方向に流れた場合に
内部抵抗と電解作用で電圧が上胃するが、その上昇分と
開放電圧との和が、下限値Ｆｚどなるよう二次電池の直
列セル数を決める（　１１ａ、　Ｉｌｂ　トモ同Ｌ；　
セル数）　。

したがって抵抗器１０ど二次電池１１の合成電圧・電流
特性は、ｒｌＦＡを通る曲線で示される。

そこで第２図において定格運転状態で負荷装置６の事故
等で直流しゃ断器５が１−リップしたどさ、直流開閉器
１２ａ、　１２ｂを投入することにより態別電池出力電
圧電流は第３図において動作点Ｂの電圧Ｅｒ、電流ｉｒ
から動作点Δの電圧Ｅｈ、電流■λに移り、更に図示し
ないバルブにまり、燃料ガス３，４の流聞絞り動作によ
り、燃料電池の電圧・電流特性は曲線■から■、■へと
変化りるが、その電圧は曲線ＤＦＡ上を推移し、はぼ」
−限値「ｈと下限値ＥｆＬの間に抑制されるので、従来
方式の欠点である転極現象を生じることはない。

なお、燃利絞り動作におよそ１５分要し、イの間二次電
池の充電方向に流れる電流は、二次電池の温度−Ｆ胃と
電解作用によるガス発生を伴うが、二次電池の寸法・重
置を決めるアンペア時の絶対値をほぼ第３図に示す電流
Ｉλの値に選べば、問題ない程度である。

なお、抵抗器１０を用いず、二次電池１１だ番プで電圧
を上下限値内に抑制することも可能であるが、電池セル
数の増加は免れない。

■始動時のバックアップ作用 以−ビ、本発明の一つの作用について）ホベたが、次に
もう１′つの作用について述べる。

第２図の燃料電池発電システムの始動時に、燃料電池１
に供給される燃料ガス３．４の流量の増加が、何らかの
原因で遅れ、それに伴って燃料電池の出／ｌｉ加も遅れ
たとする（第３図の■の曲線）と、図示しない遅延検出
回路により直流開閉器１３を投入する（開閉器１２は、
開状態）。

これにより二次電池１１ａ、　１１ｂは直列接続になり
、電池電圧の和は、上限電圧Ｅｈと定格電圧Ｅｒの間の
電圧になり、二次電池から、負荷装置６へ電力を供給す
ることができる。

この二次電池１１ａ、１１１）から負荷装置６への電力
供給時間は、充電時の水素ガスの発生を問題ない程度に
抑えるｌｃめに、：次電池のアンペア時の絶対値を［ｉ
程度に選んだ時には、短時間であるが、もし経済的にｈ
′［されるならばアンペア時の大きい二次電池を使用す
ることにより、その電力供給時間を任意に設定できる。

なお、開閉器１２ａ、　１２ｂ、　１３はトランジスタ
などの半導体スイッチング素子に置換し寄ることは、暦
うまでもない。

し発明の効果］ 以上説明したように、抵抗器、二次電池、および二次電
池を直並列切換するための開閉器イ１とを組合Ｕた回路
により、事故等で負荷切離し後の燃料電池出力電圧を許
容」：下限値内に抑制することが出来、これにより特性
劣化や寿命短縮を１？３　＜燃料電池の過電圧および転
極を引き起こす不足電圧を防＋トすることが可能となる
。

さらに、燃料電池への燃料ガスの供給が遅れ、それに伴
って負荷への電力供給が遅れるような場合には、上記二
次電池の放電によって負荷に電力を供給することが可能
どなる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の回路構成図、第２図は本発明の一実施例
を示す回路構成図、第３図は、動作を説明するだめの電
圧・電流特性のグラフである。 １・・・燃オ′！１電池　２・・・燃料電池の１セル３
・・・ＫＭガス燃石　４・・・水素ガス燃料５・・・直
流し１５断器　６・・・負荷装置７・・・電圧抑制回路
　８・・・直流開閉器９．１０・・・抵抗器　１１ａ、
１１ｂ・・・二次電池１２、１３・・・開閉器　１４・
・・バイパスダイオード１５・・・逆流防出ダイオード 代理人　弁理士　則近憲佑（ほか１名）第１図 第２図 第３図 ＩＩ　Ｉｒ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 燃料電池の発電出力をしゃ断器を介して、負荷に供給す
   る燃料電池発電システムにおいて、上記燃料電池と並列
   に接続される抵抗器および一対の二次電池からなる直列
   体と、上記二次電池を直並列切換できるようにした開閉
   器とを備え、前記負荷が無負荷状態となったとき前記開
   閉器を二次電池が並列接続になるように形成し、また前
   記システムの始動時に二次電池が直列接続となるように
   前記開閉器を形成したことを特徴とする燃料電池の保護
   装置。