JP2008305647A - 燃料電池発電システム - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池本体の個別特性や劣化の状況が異なっていても制御精度を上げ、安定した発電運転を行うことにある。
【解決手段】燃料電池本体と、この燃料電池本体のアノードに水素を供給するための燃料処理装置と、燃料電池本体のカソードに酸素を供給する空気供給装置と、燃料処理装置及び空気供給装置を制御する制御装置とから構成された燃料電池システムにおいて、制御装置は、検出手段により検出された燃料電池本体の電圧及び電流を取込んで最小二乗法による演算により発電電圧と電流の関係を学習する演算手段52と、この演算手段で求められた電圧及び電流の関係を一定周期でテーブル化し、常に最新のＩＶ特性として記憶するメモリ53と、このメモリに記憶されている最新のＩＶ特性と燃料電池本体１の現在の運転電圧とを比較し、その差が最新のＩＶ特性を考慮して設定される閾値より大きいとき制御出力を送出する判定手段54とを備える。
【選択図】 図１

Description

本発明は、安定した発電運転が可能な燃料電池発電システムに関する。

従来、炭化水素などを含む原燃料が有する化学エネルギーを直接電気に変換するシステムとして、燃料電池が知られている。この燃料電池は、燃料である水素と酸化剤である酸素とを電気化学的に反応させて直接電気を取出すものであり、高い効率で電気エネルギーを取出すことができると同時に、静かで有害な排ガスを出さないという環境性に優れた特徴を有するシステムである。

近年まで、比較的大型のＰＡＦＣ（リン酸形）が主に開発されてきたが、最近では小型のＰＥＦＣ（固体高分子形燃料電池）の開発が活発化し、家庭用燃料電池システムの普及も間近な状況となっている。

ところで、この家庭用燃料電池システムは、普及に向けたコストダウンが必要であり、その一環としてシステムの簡素化、機器の小型化の努力が各メーカにおいて勢力的に行われている。

一方、これらのチャレンジは、機器の安定化やロバスト性を失う可能性もあるという本質的な問題があり、機器追加なしでの制御の工夫によるロバスト性の向上は重要なポイントとなる。

また、ＰＥＦＣは低温動作の関係上ＣＯに対する耐性が低いため、燃料処理系の変動などに伴うＣＯ増で一時的に電圧が低下する可能性があり、この対応が運転の信頼性を左右するという面がある。

図４は、典型的な燃料電池発電システムの構成図である。

この燃料電池発電システムは、図４に示すようにアノード１ａ及びカソード１ｂからなる燃料電池本体１、この燃料電池本体１のアノード１ａに水素リッチな燃料を供給する燃料処理装置２、燃料電池本体１のカソード１ｂに空気を供給するカソード空気供給装置３、燃料電池本体１で発電された出力電力を交流に変換して交流系統に供給するインバータ４及びこれら燃料電池本体１、燃料処理装置２、カソード空気供給装置３及びインバータ４を制御する制御装置５から構成され、これらは図示しない燃料電池パッケージ内に収納されている。

ここで、燃料処理装置２は、燃料供給システム６、蒸気供給システム７、改質器及びＣＯ変成器からなる改質器装置８、ＣＯ除去空気供給システム９及びＣＯ除去器１０から構成されている。

かかる構成の燃料電池発電システムにおいて、発電中に燃料電池本体１の出力電圧に異常が発生した場合、通常は図５に示すようなインターロック動作が行われている。具体的には図５に示すように発電時の電池電圧が一定電圧、例えば５０Ｖ以下になるとリカバリ操作を行い、それでも復活せずに電池電圧が４５Ｖ以下になると警報を発し、さらに電池電圧が低下して４０Ｖ以下になると保護停止する方式が一般的である。これらは一定電圧値を閾値として判断しているのが通常である。

因みに、燃料電池システムにおいて、燃料電池電圧の低下時にカソード触媒の劣化を正確に判断してカソードリカバリを実行し、カソード触媒を劣化状態から回復させるようにしたものがある（例えば、特許文献１）。
特開２００５−１７４６４３

ところで、上述した従来の燃料電池発電システムでは、リアルタイムの電池特性のＩＶ特性を制御する機能を持っていないため、電圧低下時の異常判断が困難である。

通常、前述したように電池電圧が一定電圧以下となった場合にリカバリ操作や警報操作または保護動作を行うことになるが、この場合、定格出力と最低出力とでは結果的にマージン（正常時と異常時の設定値の差）が大きく異なることになり、適正な制御ができるとは言えない。

ここで、図６に示すＩＶ特性図によりリカバリ動作を行う例について説明する。

初期ＩＶ特性２０は初期の電池の運転電圧―電流特性であり、１００００ｈ運転後ＩＶ特性２１は１００００ｈ運転後の運転電圧―電流特性である。これら初期ＩＶ特性２０及び１００００ｈ運転後ＩＶ特性２１上にそれぞれの定格、最低出力の運転点は図示の通りである。

図６に示すようにリカバリ閾値２６が一定値の場合には、初期最低出力時の閾値までの裕度２２と、１００００ｈ運転後最低出力時の閾値までの裕度２３と、初期定格時の閾値までの裕度２４と、１００００ｈ運転後の閾値までの裕度２５の４つは大きく異なっている。

従って、あるケースでは早くリカバリ機能が動作し、他のケースでは異常がさらに進まないとリカバリ機能が働かないことになる。これは適切とは言えないが、簡易な手段として広く一般的に行われている方法である。

上記した特許文献１では、リカバリの操作について言及しているが、リカバリの動作に関するＯＮ／ＯＦＦについては、単純な電圧固定設定の監視で行っている。

このような問題を回避する手段としては、標準ＩＶ特性を準備し、運転時間等をベースに現状のＩＶ特性を予測して保護等に使用することは比較的有効と言えるが、この場合でも電池の個別特性や劣化状況の違いに対応することができない。

本発明は上記のようなような問題を解消するためになされたもので、燃料電池本体のＩＶ特性を学習することで、これらの制御の精度を上げ、安定した発電運転を行うことができる燃料電池発電システムを提供することを目的とする。

本発明は上記の目的を達成するため、燃料電池本体と、原燃料を水蒸気改質して水素リッチなガスを生成する改質器及びこの改質器により改質された水素リッチなガスからＣＯを除去して前記燃料電池本体のアノードに供給する空気供給によるＣＯ除去器を備えた燃料処理装置と、前記燃料電池本体のカソードに酸素を供給する空気供給装置と、前記燃料処理装置内の各機器及び前記空気供給装置を制御する制御装置とから構成された燃料電池システムにおいて、前記燃料電池本体の運転時の電圧及び電流を検出する電圧及び電流検出手段を設け、前記制御装置は、前記電圧及び電流検出手段により検出された電圧データ及び電流データを取込んで最小二乗法による演算により前記燃料電池本体の発電電圧と電流の関係を学習する演算手段と、この演算手段で求められた電圧データ及び電流データの関係を一定周期でテーブル化し、常に最新のＩＶ特性として記憶する記憶手段と、この記憶手段に記憶されている最新のＩＶ特性と前記電圧検出手段により検出された前記燃料電池本体の現在の運転電圧とを比較し、その差が最新のＩＶ特性を考慮して設定される閾値より大きいとき制御出力を送出する判定手段とを備える。

また、本発明は、燃料電池本体と、この燃料電池本体のアノードに水素を供給するための燃料処理装置と、前記燃料電池本体のカソードに酸素を供給する空気供給装置と、前記燃料処理装置及び前記空気供給装置を制御する制御装置とから構成された燃料電池システムにおいて、前記燃料電池本体の運転時の電圧及び電流を検出する電圧及び電流検出手段を設け、前記制御装置は、前記電圧及び電流検出手段により検出された電圧データ及び電流データを取込んで最小二乗法による演算により前記燃料電池本体の発電電圧と電流の関係を学習する演算手段と、この演算手段で求められた電圧データ及び電流データの関係を一定周期でテーブル化し、常に最新のＩＶ特性として記憶する記憶手段と、この記憶手段に記憶されている最新のＩＶ特性と前記電圧検出手段により検出された前記燃料電池本体の現在の運転電圧とを比較し、その差が最新のＩＶ特性を考慮して設定される閾値より大きいとき制御出力を送出する判定手段とを備える。

本発明によれば、燃料電池本体の発電電圧と電流からＩＶ特性を学習して、常に最新のＩＶ特性を考慮した閾値を設定するようにしたので、燃料電池本体の個別特性や劣化の状況が異なっていても制御精度を上げることが可能となり、安定した発電運転を行うことができる。

以下本発明の実施形態について図面を参照して説明する。

図１は本発明による燃料電池システムの第１の実施形態における制御装置内部の要部を示すブロック構成図であり、燃料電池発電システムの全体構成は図４と同様なので、ここではその説明を省略する。

本実施形態では、図示しない電圧検出手段及び電流検出手段によりそれぞれ検出された燃料電池本体１の発電電圧データＶ及び電流データＩを入出力手段（Ｉ／Ｏ）５１を介して取込み、最小二乗法による演算を実行して常時燃料電池本体１の発電電圧と電流の関係を学習する演算手段５２と、この演算手段５２で求められた発電電圧データと電流データの関係を一定周期でテーブル化し、常に最新のＩＶ特性として記憶するメモリ５３と、このメモリ５３に記憶されている最新のＩＶ特性と入出力手段（Ｉ／Ｏ）５１を介して取込まれた現状の燃料電池本体１の運転電圧とを比較し、その差が最新のＩＶ特性を考慮してインターロックレベルとして設定される閾値を超えているか否かを判定し、超えている場合には制御出力を送出する判定手段５４とを備える。

この場合、メモリ５３には、演算手段５２で最小二乗法により求められる燃料電池本体１の出力全域に渡る特性が連続的に記憶されている。従って、この特性は数日単位の平均特性となるため、数時間での急速な劣化等は、この曲線からの乖離により検知できる。

さらに、判定手段５４は、インターロックレベルの閾値として、例えばリカバリ操作の場合は最新のＩＶ特性−５Ｖ、警報の場合は最新のＩＶ特性−１０Ｖ、保護停止の場合には最新のＩＶ特性−１５Ｖがそれぞれ設定され、現状の電池電圧と最新のＩＶ特性との差がこれらの各保護閾値を超えるとリカバリ操作、警報、保護停止の各制御出力をそれぞれ送出する機能を有している。

次に本実施形態の作用を図２及び図３により説明する。

いま、燃料電池システムが運転されているものとすれば、燃料電池本体１の発電電圧及び電流が図示しない電圧検出手段及び電流検出手段により検出され、その電圧データ及び電流データがＩ／Ｏ５１を介して演算手段５２に取込まれると、この演算手段５２では最小二乗法による演算を実行し、燃料電池本体１の発電電圧と電流の関係を学習しながら、メモリ５３に発電電圧データと電流データの関係を一定周期でテーブル化し、最新のＩＶ特性として記憶する。

一方、判定手段５４では、メモリ５３に記憶されている最新のＩＶ特性と現状の燃料電池本体１の運転電圧とを比較し、その差が最新のＩＶ特性を考慮したインターロックレベルに応じて設定される閾値を超えているか否かを判定し、超えている場合にはそのインターロックレベルに応じて図２に示すような制御出力を送出する。

すなわち、図２に示すように、まず、現状の運転電圧Ｖが最新のＩＶ特性−５Ｖよりも小さい場合はリカバリ操作の制御を行い、また、異常が進んで現状の運転電圧Ｖが最新のＩＶ特性−１０Ｖよりも小さくなると警報を発する制御を行い、さらに、復帰しないで現状の運転電圧Ｖが最新のＩＶ特性−１５Ｖよりも小さくなると保護停止動作の制御を行う。

図３は、初期ＩＶ特性及び１００００ｈ運転後ＩＶ特性と、これらのＩＶ特性を考慮してそれぞれ設定されるリカバリ動作閾値３１との関係を示すものである。

図６に示す従来の初期ＩＶ特性及び１００００ｈ運転後ＩＶ特性に対するリカバリ動作閾値２６は、いずれも固定値として設定されているため、燃料電池本体１の運転時間や出力帯によりインターロック動作までの裕度が大きく異なっていたが、本実施形態では図３から明らかなように最新のＩＶ特性を考慮したリカバリ動作閾値３１と燃料電池本体１の現状の運転電圧とを比較することにより、出力、運転時間、劣化速度に関わらずインターロック動作までの裕度を一定にできることが分かる。

従って、燃料電池本体１の出力や劣化状況に依存せず、常に適したインターロックレベルが確保できるので、ロバスト性の高い燃料電池システムとすることができる。

ここで、リカバリ方法としては、次の５つが考えられる。

１つは燃料電池本体の出力を一定レベルまで下げること、２つめは図５に示す蒸気供給システム７を制御して改質蒸気流量を増加することである。これらによりＣＯ抑制が図られるため、一時的なＣＯ上昇による影響であれば改善できる可能性が高い。

さらに、３つめは図５に示すカソード空気装置３を制御し、カソードへの空気流量を増加させる。電池電圧の低下の原因がカソード利用率に起因するものであれば、この操作により改善される。

また、４つめとして図５に示すＣＯ除去空気供給システム９を制御し、ＣＯ除去空気を増量することであり、電圧低下がＣＯ除去空気不足等に起因する場合は改善が期待できる。

さらに、５つめとして図５に示す燃料供給システム６を制御して燃料流量を増加させる方法がある。燃料流量が起因する電圧低下であれば回復が期待できる。

さらに、これらのリカバリ操作を短時間に順次連続して行い、燃料電池本体１の電圧回復が見られた項目について保持、継続する方法が有効である。

このように本実施形態によれば、これらのリカバリ操作により一時的なＣＯ濃度の上昇のリスクが低減でき、信頼性の高い燃料電池システムとすることが可能である。

前述した第１の実施形態では、水蒸気改質器またはオートサーマル等の改質器を備えた燃料電池システム（ＰＡＦＣ、ＳＯＦＣ、ＰＥＦＣ等）に本発明を適用した場合について述べたが、水素専用の燃料電池システムに対して本発明を適用することが可能である。

この場合、リカバリ操作時に蒸気の制御とＣＯ除去器の制御ができないことを除くと第１の実施形態と同様の作用、効果を得ることができる。

また、第１の実施形態では、燃料電池本体１の全電圧によるインターロック動作としたが、燃料電池を構成するセル又はセルブロックの電圧を制御装置５により監視し、このセル又はセルブロックの電圧のＩＶ特性を学習することで、さらに高信頼性且つ高精度の制御が可能となる。

本発明による燃料電池システムの第１の実施形態における制御装置内部の要部を示すブロック構成図。 同実施形態における判定手段での電池電圧インターロックのフローチャートを示す図。 同実施形態において、初期ＩＶ特性及び１００００ｈ運転後ＩＶ特性と、これらのＩＶ特性を考慮してそれぞれ設定されるリカバリ動作閾値との関係を示すグラフ。 典型的な燃料電池発電システムを示す構成図 従来の電池電圧インターロックのフローチャートを示す図。 従来の初期ＩＶ特性及び１００００ｈ運転後ＩＶ特性とリカバリ動作閾値との関係を示すグラフ。

符号の説明

１…燃料電池本体、１ａ…アノード、１ｂ…カソード、２…燃料処理装置、３…カソード空気供給装置、４…インバータ、５…制御装置、５１…入出力手段、５２…最小二乗法による演算手段、５３…メモリ、５４…判定手段、６…燃料供給システム、７…蒸気供給システム、８…改質器及びＣＯ変成器、９…ＣＯ除去空気供給システム、１０…ＣＯ除去器

Claims (10)

1. 燃料電池本体と、原燃料を水蒸気改質して水素リッチなガスを生成する改質器及びこの改質器により改質された水素リッチなガスからＣＯを除去して前記燃料電池本体のアノードに供給する空気供給によるＣＯ除去器を備えた燃料処理装置と、前記燃料電池本体のカソードに酸素を供給する空気供給装置と、前記燃料処理装置内の各機器及び前記空気供給装置を制御する制御装置とから構成された燃料電池システムにおいて、
   前記燃料電池本体の運転時の電圧及び電流を検出する電圧及び電流検出手段を設け、
   前記制御装置は、前記電圧及び電流検出手段により検出された電圧データ及び電流データを取込んで最小二乗法による演算により前記燃料電池本体の発電電圧と電流の関係を学習する演算手段と、この演算手段で求められた電圧データ及び電流データの関係を一定周期でテーブル化し、常に最新のＩＶ特性として記憶する記憶手段と、この記憶手段に記憶されている最新のＩＶ特性と前記電圧検出手段により検出された前記燃料電池本体の現在の運転電圧とを比較し、その差が最新のＩＶ特性を考慮して設定される閾値より大きいとき制御出力を送出する判定手段とを備えたことを特徴とする燃料電池発電システム。
2. 請求項１記載の燃料電池発電システムにおいて、
   前記判定手段は、最新のＩＶ特性を考慮して設定される閾値をリカバリ操作により電圧回復可能な第１のレベルとし、現在の運転電圧が該レベル以下のときリカバリ操作の制御出力を送出することを特徴とする燃料電池発電システム。
3. 請求項２記載の燃料電池発電システムにおいて、
   リカバリ操作の制御出力として、燃料電池本体の出力抑制、改質水蒸気流量の出力増量、ＣＯ除去器の空気供給の増量、カソードに供給する空気の増量、原燃料の増量のいずれかであることを特徴とする燃料電池発電システム。
4. 請求項２記載の燃料電池発電システムにおいて、
   前記判定手段は、最新のＩＶ特性を考慮して設定される閾値を前記第１のレベルよりも小さい第２のレベルとし、現在の運転電圧が該レベル以下のとき警報の制御出力を送出することを特徴とする燃料電池発電システム。
5. 請求項４記載の燃料電池発電システムにおいて、
   前記判定手段は、最新のＩＶ特性を考慮して設定される閾値を前記第２のレベルよりも小さい第３のレベルとし、現在の運転電圧が該レベル以下のとき保護停止動作の制御出力を送出することを特徴とする燃料電池発電システム。
6. 燃料電池本体と、この燃料電池本体のアノードに水素を供給するための燃料処理装置と、前記燃料電池本体のカソードに酸素を供給する空気供給装置と、前記燃料処理装置及び前記空気供給装置を制御する制御装置とから構成された燃料電池システムにおいて、
   前記燃料電池本体の運転時の電圧及び電流を検出する電圧及び電流検出手段を設け、
   前記制御装置は、前記電圧及び電流検出手段により検出された電圧データ及び電流データを取込んで最小二乗法による演算により前記燃料電池本体の発電電圧と電流の関係を学習する演算手段と、この演算手段で求められた電圧データ及び電流データの関係を一定周期でテーブル化し、常に最新のＩＶ特性として記憶する記憶手段と、この記憶手段に記憶されている最新のＩＶ特性と前記電圧検出手段により検出された前記燃料電池本体の現在の運転電圧とを比較し、その差が最新のＩＶ特性を考慮して設定される閾値より大きいとき制御出力を送出する判定手段とを備えたことを特徴とする燃料電池発電システム。
7. 請求項６記載の燃料電池発電システムにおいて、
   前記判定手段は、最新のＩＶ特性を考慮して設定される閾値をリカバリ操作により電圧回復可能な第１のレベルとし、現在の運転電圧が該レベル以下のときリカバリ操作の制御出力を送出することを特徴とする燃料電池発電システム。
8. 請求項７記載の燃料電池発電システムにおいて、
   リカバリ操作の制御出力として、燃料電池本体の出力抑制、カソードに供給する空気の増量、原燃料の増量のいずれかであることを特徴とする燃料電池発電システム。
9. 請求項７記載の燃料電池発電システムにおいて、
   前記判定手段は、最新のＩＶ特性を考慮して設定される閾値を前記第１のレベルよりも小さい第２のレベルとし、現在の運転電圧が該レベル以下のとき警報の制御出力を送出することを特徴とする燃料電池発電システム。
10. 請求項９記載の燃料電池発電システムにおいて、
    前記判定手段は、最新のＩＶ特性を考慮して設定される閾値を前記第２のレベルよりも小さい第３のレベルとし、現在の運転電圧が該レベル以下のとき保護停止動作の制御出力を送出することを特徴とする燃料電池発電システム。

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