JPS60172175A - 燃料電池システムの負荷制御装置 - 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】 〔発明の利用分野〕 本発明は燃料電池システムの負荷制御装置に係り、特に
燃料電池起動停止時及び低負荷運転時の燃料電池過剰電
位領域を回避し、かつ運転時の出力制御を円滑にする燃
料電池システムの負荷制御装置に関する。

〔発明の背景〕

この種の燃料電池システムは、燃料を燃料改質装置を介
して燃料極に取り込むと共に、酸化ガスを酸化極に取り
込みこれらが反応して電力を発生する燃料電池と、該燃
料電池から発生する電力を交流に変換するインバーター
直流交流変換装置を含み、該インバーター直流交流変換
装置を制御するインバーター出力制御装置と、前記燃料
電池を冷却するために冷却材を循環させる冷却材循環系
から得られる熱及びヒーターから供給される熱によって
蒸気を発生するスチームセパレータと、前記燃料電池か
ら廃山される廃ガスを取り込み動力を回収するターボコ
ンプレッサーと、該ターボコンプレッサーからの廃ガス
を大気へ放出する排気塔とから構成されている。

上述の如く構成された燃料″ＩＩＬ池シスナシステムｒ
Ｆｃ８Ｊと略称する）によれば、前記インバーター出力
制御装置及び前記燃料°電池に水素リッチな改質燃料を
供給する燃料改質装置ｔ（以下、「リホーマ−」と称す
る）による燃料電池運転出力制御系において、出力変゛
更が生じた場合、インバーター出力制御装置が送電端側
出力を変更し、同時にリホーマ−の反応部へ供給する燃
料及びリホーマ−燃料部へ供給する補助燃料を調節する
ことにより、電池へ供給する改質燃料の菫を変え、電池
出力を変更する。その際に該ＦＣ８の圧力・＠度バラン
スが一時的にくずれ、第１図に示す単電池（以下、セル
）の酸化極（酸素極又はカソード）と燃料極（水素極又
はアノード）からなるリプ付電極２の差圧が限界値（０
，１縁重、４−ｔＪ）を超え、触媒層３及び電解質ノー
４が破壊されるという事象が発生する。尚、符号１はセ
パレーターである。

さらに従来は、定格点ＰＮに対して２５％出力（低負荷
出力点Ｐｔ、ｏｗ）の低負荷運転を行う場合、第４図に
示すセル過−［位領域Ａｏｖで運転を行う　′こととな
り、第２図に示すようにカーボン＃末５に対して均一な
白金融媒６の分布状態が、第３図に示すよンに不均一と
なり電池の能力が劣化し、出力が低下し、ついには電池
の寿命が短かくなる。

さらに詳Ｊｌに説明すると、第４図におけるＶ　−Ａ特
性上の過−１′１位領域に６Ｖは、セル螺圧が０．８■
を超えた場合に生じる。しかして、電池の発電状態が１
回、この領域に入る毎に、十数ｍＷ程度セルの発電能力
が低下し、さらに長時間この領域Ａｏｖで発電を続けた
場合、第３図に示すように触媒の分布が不均一となり、
電池の発電効率が低下し、ついには発電不能となる事象
も考えうる。しかし、従来の方式では、低負荷運転を行
う場合、このセル電圧０．８Ｖ以上、すなわち最低出力
点Ｐ　ｔｍ　ｌ　ｍ以下の過剰電位領域Ａｏｖで発電を
せねばならないという欠点があった。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、ＦＣ８起動停止時の電池負担を軽減し
、かつ低負荷運転時の電池過剰電位領域を回避すること
により電池を保護し、シ池寿命の長期化を図り、さらに
システムのバランスをくずすことなく円滑に、しかも安
全に負荷追従ができる燃料ゼ池システムの負荷制御装置
を提供することにある。

〔発明の概要〕

本発明は、上記目的を達成するため、低負荷運転時、Ｐ
ＣＩの送電端出力を最低出力点Ｐ　ｖｍ　Ｉ　ｍ以下と
し、燃料電池の発電端出力を最低出力点Ｐ　ｍ　ｌ　ｍ
とし、過剰電位−須域Ａ。Ｖを避け、その差を燃料ｄ池
とインバーターとの間に設けたダミー負荷において消費
させるようにしたものである。

〔発明の実施例〕

以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。

第５図は本発明に係る燃料電池システムの負荷制御装置
の実施例を示す系統図である。

第５図において、燃料電池システムは、燃料を図示しな
い燃料改質装置を介して燃料極７ａに取り込むと共に、
ば化ガスを酸化極７ｋに取り込みこれらが反応して電力
を発生する燃料電池７と、該燃料電池７から発生する電
力を交流に変換するインバーター直流交流変換装置を含
み、該イン／く一ター直流父流変換装置を制御するイン
ノく一ター出力制御装置１４と、前記燃料′電池７を冷
却するために冷却材を循環させる備壊ポンプ１１を含む
冷却材循環系から得ら°れる熱及びヒーター１２から供
給される熱によって蒸気を発生するスチームセパレータ
ー８と、前記燃料電池７から廃山される廃ガスを取り込
み動力を回収するターボコンプレッサー９と、該ターボ
コンプレッサー９からの廃ガスを大気へ放出する排気塔
１０とから構成されている。尚、１７はヒーター１２を
加熱するためのヒーター用電源である。

このような燃料電池システムにおいて、酸素と水素が反
応して動力を発生する除虫ずる熱を取り除くために、冷
却材としての冷却水をスチームセパレーター８で冷却し
てから、冷却水循環ポンプ１１を通じて燃料電池７内に
送り込み、ここで燃料′電池７を冷却して高温となった
冷却水を再びスチームセパレーター８へ戻して冷却して
いる。まり、スチームセパレーター８において、ヒー２
−用電源１７を備えたヒーター１２により水を蒸発させ
、リホーマ−の燃料改質反応に必要な蒸気を区給してい
る。−刀、リホーマ−の排ガスは、ターボコンプレッサ
ー９で動力を回収された後、排気塔１０により大気へ°
放出される。

本実施例では、上述の燃料′螺池システムに対して、ス
チームセパレーター８用のヒーター１２ｔｌ−ダミー負
荷として用い、このダミー負荷としてのヒーター１２を
燃料’ｋｔ池７の出力端（インバーター出力側＠装［１
４め入力端）・スイッチボックス１６を介してヒーター
用゛或源１７に対して並列に接続しである。ざらに、ス
チームセパレーター８と排気塔１０との間を配管で接続
し、コントロール弁１８を設けて、余剰電力を消費させ
た際にそれによシ発生する余剰スチームを排気塔１ｏニ
ジ一時的に放出する放出手段を４成している。また、電
池起動停止時、低負荷運転時及び送電端異常時において
、これら愼器の制御する制御手段は燃料電池出力制御装
置１３及び、ヒーター電源制御装置１５を含んでいる。

以上が負荷制御装置の実施例の構成である。

次に、上記実施例で用いる負荷制御装置の構成をさらに
詳しく説明する。

負荷制御装置は、燃料・シ池出カ制御装置１３、ヒータ
ー電源制御装置１５、スイッチボックス１６及びコント
ロール弁１８によって構成されている。燃料゛電池出力
制御装置１３は、インバーター出力制御装置１４と燃料
電池７とを協調させることを目的とし、燃料電池起動停
止時のパターン制御、低負荷運転時に必要な情報及び制
御指令を下位制御器のヒーター電源制御装置１５やイン
バーター出力制御装置１４に与える。インバーター出力
制御装置１４から送られた負荷設定信号２Ｂは主制御器
１９へ取り込まれる。一方、電池出力信号２９も燃料電
池出力制御装［１３へ収り込まれ、フィルター２１及び
感度補正器２２を経て、前述の主制御器１９の出力信号
との偏差を取る。

この偏差がゼロのときは、燃料電池出力制御装置１３は
動作しな仏。尚、燃料電池出力制御装置１３において、
２３は該差制限器、２４は進み遅れ補償装置である。

また、ヒーター電源装置１５において、２５は自動・手
動Ｔｏ制御切換器、２６は制御器である。

次に、本発明による低負荷運転方式、ＦＣ８停止万式及
び送電端異常時運転方式に９いて第５図〜第１０図を使
って説明する。

第７図において、定格運転状態から定格の２５％出力運
転に切り替える場合、前述したようにリホーマへ送る燃
料を少なくシ、電池へ供給する改質燃料を減らし、発電
量を減らしてゆくが、発電端出力３３が最低出力点とな
る時刻ｔ２においてリホーマへ送る燃料量を固定する。

一方、燃料′電池出力制御装置１３は、時刻ｔ１におい
てインバーター出力制御装置１４より負荷設定信号２８
を受け取り、ダミー負荷消費電力及びダミー負荷切り換
え時刻ｔ２及び時刻ｔ１からｔ、までの発電端電力を設
定し、出力要求信号３０をインバーター出力制御装［１
４及びヒーター電源制御装置。

１５へ送る。ここで、ヒーター電源制御装置１５は、時
刻１．においてスイッチボックス１６へ信号を送シ、ヒ
ーター用電源１７を切り離し、ヒーター１２をダミー負
荷として電池インバーター間に接続すると同時に、コン
トロール弁制御信号３４を送り、コントロール弁１８を
開放する。すなわち−７５％出力の偏差が出た場合、そ
の偏差信号は誤差制限器２３及び進み遅れ補償装置２４
を経て、出力要求信号３０となり、インバーター出力制
御装置１４や、燃料の供給などを調節する。

他のＦＣ８制御系及びヒーター電源制御装置１５へ送ら
れる。この時、制御器２６は電池出力が定格の３５％と
なった時、スイッチボックス１６へスイッチ切替信号を
送り、ダミー負荷を投入し、同時にコントロール弁１８
を開放し、スチームセパレーターで発生する余剰蒸気を
逃がす準備を行うものでおる。

この様にして、スチームセパレーター８”ｔ’ハ、ヒー
ター１２により余剰スチームが発生し排気塔工０より大
気へ放出されることになる。

第８図において、Ｆｅ２を停止させる場合、燃料電池出
力側ｍ装置１３に、あらかじめ設定されたパターンに従
って、ダミー負荷消費電力及び電池出力３５％到達時刻
ｔ２及びＦＣ８停止時刻ｔ３を演算し、その間の出力要
求信号３０をインバーター出力制御１１４１装置１４及
びヒーター電源制御装置１５へ送る。一方ヒーター慰源
制御装置１５は、停止開始時刻１．においてダミー負荷
を接続しコントロール弁１８を開放する。送電端出力３
２と発電端出力３３は、ダミー負荷消費電力の差分を持
って各々減少し、時刻ｔ３において送電端出力３２はゼ
ロとなり、時刻ｔ３からｔ４の間は、ダミー負荷のみに
よって゛電池出力を消費し、時刻ｔ４においてＦｅ２は
発電を停止する。

第９図において、）”Ｃ８を起動させる場合、燃料電池
出力制御装置１３は、起動開始時刻１ｏにおいて出力要
求信号３０をインバーター出力制御装置１４及びヒータ
ー蹴源制御装置１５へ送電、同時にリホーマから供給す
る改質燃料を増やし、′電池の出力を徐々に上げてゆく
。−万、ヒーター電源制＠装置１５は、ヒーター１２の
数本の抵抗器をスイッチボックス１６においてヒーター
用電源１７用とダミー負荷電力消費用の２棟類に分け、
各々接続するようにスイッチ切換信号３５を送信し、コ
ントロール弁１８を開放する。時刻１．からｔｌすなわ
ち′に池出力が低負荷出力点に達するまでは、ダミー負
荷により電池出力を消費し、送電端側は開放しておく。

時刻ｔ１において、インバーター出力制御装置１４によ
り送電端を接続し、送電を始める。一方、燃料電池７は
時刻１１からｔ２までの数分程度で低負荷出力点から定
格出力点まで出力を増加させ、定格運転状態となり、こ
の邸ヒーター電源制御装置１５によってダミー負荷が、
時刻１１よりΔを秒遅れて、電池出力が最低出力点を超
えない時刻に切９＃１！される。

以上第８図及び第９図を用いて説明したＦＣ８起動停止
動作は、第６図の実施例の場合、超勤又は停止信号３６
により、自動的に主制御器１９内に記憶されている起動
停止パターンによシ起動及び停止ができる。この場合、
主自動・手動切換器２０を操作することにより、手動に
よる起動又は停止も可能でめる。

以上のように、ダミー負荷を用いて、発電端出力変化を
送電端出力変化に収ぺてゆるヤかなカーブとすることに
よＬ　ＦＣ８起動停止時の電池の負担を軽減する。

第１０図（Ｉ）及び（ＩＩ）において、送電端側に異常
が発生した場合、インバーター出力制御装置１４は出力
側異常信号３１をヒーターｄ源制御装置１５へ送り、ス
イッチボックス１６によりダミー負荷を接続し、送電端
出力を下げる。この場合時Ａｔｚにおいて出力異常信号
が解除された場合、ダミー負荷を切シ離し、再び出力を
戻すが、解除さルなかった場合、第１１図のように時刻
ｔ２において′電池出力を下げ、時刻ｔ３において送電
端電圧がゼロとなり、磨刻ｔ４において、発電４に圧が
ゼロとなる。ここでは、時刻ｔ１からｔ２の間ダミー負
荷のみにより送電端出力を下げることにより、誤まった
異面信号による燃料電池のむだな豆ち上げ、立ち下げを
防ぐことができる。

上記動作を第６図について適用してみると、送電側に短
絡手放などの異５が生じ、即時にＦｅ２を送電ホ統から
切り離す必要が発生した場合において、インバーター出
力制御装置１４は出力側異常信号３１を制御器２６へ込
り、即刻ダミー負荷を投入し、ＦＣ８送電端出力を下げ
る。一方、主制御器１９はその出力側異常信号が誤１４
号かどうか、同時に送られてくる負荷設定信号２８によ
り判定“ｊ心。もし、誤信号であｎば、ダミー負荷を解
除する信号を制御器２６へ送るが、出力異常が確認され
た揚付、主制御器は自動的に停止パターンによｐ　Ｆ　
Ｃｓを停止するのでおる。

〔−ｔ５明の効果〕 以上述べたように、本発明の負荷制御装置により、Ｆｅ
２はインバーター出力制御系と、燃料の供給や温度や圧
力などを調節する他のＦＣ８制御系との連動が緊密とな
り、各々の制御系に過大な其担全かけることなくＦＣ８
出力制御が可能となる効果がある。

ま／こ、本発明によれば、ＦＣ８起動停止時に、ダミー
負荷により多量の蒸気全発生させることにより、電池の
昇温、保温が６易になるという効果がある。

さらに、本発明によ扛ば、ダミー負荷投入時の余剰蒸気
を利用して、建物の暖房などの廃熱利用が可能となる効
果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は燃料電池の単電池（セル′）の構造を示す断面
図、第２図は正常運転時の白金触媒の分布状態を示す説
明図、第３図はセルが高電位になった場合の白金触媒の
分布状態を示す説明図、第４図はセル電圧と電流密度と
のＩＡ係を表わすＶ−Ａ特性図、第５図は本発明に係る
燃料電池発電システムの負荷制御装置実施例を示す系統
図、第６図は同実施−〇に用いる負荷制御装置の具体例
を示すブロック図、第７図は本実施例による燃料電池低
負荷運転動作を説明するために示す図、第８図は本実施
例による燃料電池停止動作を説明するために示す図、第
９図は本実施例による燃料電池起動動作を説明するため
に示す図、渠１０図（Ｉ）及び（Ｉ［）は本実施例によ
る出力側異常時の燃料電池発電システム運転制御動作を
説明するために示す図、第１１図は本実施例による出力
側異常時の燃料電池発電制御動作を説明するために示す
図である。 １・・・セパレーター、２・・・リプ付電極、３・・・
触媒、４・・・成解質、５・・・カーボン粉末、６・・
・白金、７・・・燃ＲＩｔＭ、８・・・スチームセパレ
ーター、９・・・ターボコンプレッサー、１０・・・排
気塔、１１・・・冷却水循環ポンプ、１２・・・ヒータ
ー、１３・・・燃料電池出力側＃装置、１４・・・イン
バーター出力制御装置、１５・・・ヒーター′４源制御
装置、１６・・・スイッチボックス、１７・・・ヒータ
ー用電源、１８・・・コントロール弁、１９・・・主制
御器、２０・・・主自動・手動側、御切換器、２１・・
・フィルター、２２・・・感度補正器、２３・・・誤差
制限器、２４・・・進み遅れ補償装置、２５・・・自動
・手動制御切換器、２６・・・制御器、２７・・・イン
バーター出力制御装置自動・手動制御切換器、２８・・
・負荷設定信号、２９・・・電池出力信号、３０・・・
出力要求信号、３１・・・出力側異常信号、３２・・・
燃料゛電池発電システム出力、３３・・・燃料電池出力
、３４・・・コントロール弁制御信号、３５・・・躬　
１因 躬　２図 石　３目 峙絽 智　ｑ口

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、燃料を燃料処理装置を介して燃料極に取り込むと共
   に、酸化ガスを酸化極に取り込みこれらが反応して電力
   を発生する燃料電池と、該燃料電池から発生する電力を
   交流に変換するインバーター直流交流変換装置を含み、
   該インバーター直流交流変換装置を制御するインバータ
   ー出力制御装置と、前記燃料電池を冷却するために循環
   させる冷却水循環系から得られる熱及びヒーターから供
   給する熱によって蒸気を発生するスチームセパレーター
   と、該燃料′電池から廃山される廃ガスを取り込み動力
   を回収するターボコンプレッサと、該ターボコンプレッ
   サからの廃ガスを太゛気へ放出する排気塔とから成る燃
   料電池発電システムにおいて、前記スチームセパレータ
   ーに設けられたヒーターをダミー負荷として電池発電端
   に接続できるスイッチ手段を設け、かつ該電池の発電“
   電力を消費させた際に、それより発生する余剰スチーム
   を排気塔より一時的に放出する放出手段を設け、電池起
   動停止時、低負荷運転及び送電端異常時に、前記スイッ
   チ手段をもって前記ヒーターを該電池発電端に接続する
   と共に、前記放出手段を動作させる制御手段を設けたこ
   とを特徴とする燃料電池システムの負荷制御装置。