JPH06243882A - 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Info
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- JPH06243882A JPH06243882A JP50A JP2586593A JPH06243882A JP H06243882 A JPH06243882 A JP H06243882A JP 50 A JP50 A JP 50A JP 2586593 A JP2586593 A JP 2586593A JP H06243882 A JPH06243882 A JP H06243882A
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Abstract
(57)【要約】
【目的】燃料電池の負荷上昇指令時に燃料電池に局部的
に発生するガス不足状態を早期に検知して保護停止する
ことにより、燃料電池の損傷を回避する。 【構成】燃料電池スタックの出力電圧を複数単位セルを
セル区間として複数のセル区間について検出し、検出電
圧の最低値が負荷電力の大きさに係わりなく一定電圧低
下したとき保護停止する。例えば、セル区間の計画Ｉ−
Ｖ曲線２０を一定電圧ΔＶ低い側に平行移動した曲線を
電圧低下の判定曲線２１とし、所定の指令電力値Ｉs ×
Ｖs に対する検出電圧の最低値が、判定曲線２１上の指
令電力値に対応する電圧値Ｖp まで低下したとき、その
セル区間でガス不足状態が発生したものと判定して保護
停止する。
に発生するガス不足状態を早期に検知して保護停止する
ことにより、燃料電池の損傷を回避する。 【構成】燃料電池スタックの出力電圧を複数単位セルを
セル区間として複数のセル区間について検出し、検出電
圧の最低値が負荷電力の大きさに係わりなく一定電圧低
下したとき保護停止する。例えば、セル区間の計画Ｉ−
Ｖ曲線２０を一定電圧ΔＶ低い側に平行移動した曲線を
電圧低下の判定曲線２１とし、所定の指令電力値Ｉs ×
Ｖs に対する検出電圧の最低値が、判定曲線２１上の指
令電力値に対応する電圧値Ｖp まで低下したとき、その
セル区間でガス不足状態が発生したものと判定して保護
停止する。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】この発明は、燃料電池発電装置が
その運転中に負荷上昇指令を受けて出力電力を急上昇す
る際、燃料ガスの供給不足によるガス欠，およびこれに
起因する燃料電池の損傷を回避するために行う保護停止
方法に関する。
その運転中に負荷上昇指令を受けて出力電力を急上昇す
る際、燃料ガスの供給不足によるガス欠，およびこれに
起因する燃料電池の損傷を回避するために行う保護停止
方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】図５は燃料電池発電装置の一般的なシス
テム構成図であり、単位セルの積層体からなる燃料電池
スタック１を含む燃料電池発電装置は、化石燃料，炭化
水素系燃料を燃料電池用アノ−ドガスとしての水素リッ
チな燃料ガスに改質する燃料処理装置２と、酸化剤とし
ての空気を燃料電池に供給する空気供給装置３と、燃料
電池の出力直流電力を外部負荷が要求する形の電力に変
換する電力変換装置４と、これら各部を制御する制御装
置５などで構成される。
テム構成図であり、単位セルの積層体からなる燃料電池
スタック１を含む燃料電池発電装置は、化石燃料，炭化
水素系燃料を燃料電池用アノ−ドガスとしての水素リッ
チな燃料ガスに改質する燃料処理装置２と、酸化剤とし
ての空気を燃料電池に供給する空気供給装置３と、燃料
電池の出力直流電力を外部負荷が要求する形の電力に変
換する電力変換装置４と、これら各部を制御する制御装
置５などで構成される。
【０００３】このように構成された燃料電池発電装置の
運転中における外部負荷への供給電力の上昇，降下は、
制御装置５が外部負荷変化指令９Ｓを受けて燃料処理装
置２および空気供給装置３に向けて発する制御信号２
Ｓ，３Ｓ，電力変換装置４に向けて発する制御信号４Ｓ
等によって制御され、燃料ガスおよび空気の供給量およ
び外部負荷への供給電力が、外部負荷変化指令９Ｓに対
応するそれぞれの目標値に一致するよう制御される。
運転中における外部負荷への供給電力の上昇，降下は、
制御装置５が外部負荷変化指令９Ｓを受けて燃料処理装
置２および空気供給装置３に向けて発する制御信号２
Ｓ，３Ｓ，電力変換装置４に向けて発する制御信号４Ｓ
等によって制御され、燃料ガスおよび空気の供給量およ
び外部負荷への供給電力が、外部負荷変化指令９Ｓに対
応するそれぞれの目標値に一致するよう制御される。
【０００４】上記燃料電池発電装置の運転中に外部負荷
変化指令９Ｓが負荷上昇を指令した場合、電力変換装置
４はミリセカンド以下の応答速度で指令値に対応した電
力を出力しようとするするが、燃料電池１は燃料処理装
置２および空気供給装置３の応答速度に律せられ、上昇
指令に対する燃料ガスおよび空気の供給増加に遅れが発
生する。なお、燃料処理装置２および空気供給装置３の
応答速度が電力変換装置４のそれに比べて遅いのは、例
えば燃料処理装置ではその応答プロセスにおいて改質量
増加（改質反応の増加）という化学反応を含んでいるこ
と、また、配管中でのガスの移動という物質移動の過程
を含んでいるためである。
変化指令９Ｓが負荷上昇を指令した場合、電力変換装置
４はミリセカンド以下の応答速度で指令値に対応した電
力を出力しようとするするが、燃料電池１は燃料処理装
置２および空気供給装置３の応答速度に律せられ、上昇
指令に対する燃料ガスおよび空気の供給増加に遅れが発
生する。なお、燃料処理装置２および空気供給装置３の
応答速度が電力変換装置４のそれに比べて遅いのは、例
えば燃料処理装置ではその応答プロセスにおいて改質量
増加（改質反応の増加）という化学反応を含んでいるこ
と、また、配管中でのガスの移動という物質移動の過程
を含んでいるためである。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】燃料電池発電装置を外
部負荷変化指令による電力制御で負荷上昇を行う場合、
次のような問題が発生する。すなわち、外部負荷変化指
令９Ｓにより燃料電池発電装置をフィ−ドフォワ−ド制
御すると、制御装置は外部負荷変化指令に対応した目標
値を設定し、制御信号４Ｓにより電力変換装置４に目標
値に対応した電力の出力を指令し、制御信号２Ｓ，３Ｓ
により、燃料処理装置２および空気供給装置３に目標値
に対応した量の燃料ガスおよび空気の供給を指令する。
ところが、前述したように燃料ガスおよび空気の供給は
電気的出力の上昇に比べて応答速度が低いため、急激な
負荷上昇指令に追従して燃料電池１への燃料ガスおよび
空気の供給量が増加せず、燃料電池１の燃料極および空
気極に一時的にガス不足状態が発生する。
部負荷変化指令による電力制御で負荷上昇を行う場合、
次のような問題が発生する。すなわち、外部負荷変化指
令９Ｓにより燃料電池発電装置をフィ−ドフォワ−ド制
御すると、制御装置は外部負荷変化指令に対応した目標
値を設定し、制御信号４Ｓにより電力変換装置４に目標
値に対応した電力の出力を指令し、制御信号２Ｓ，３Ｓ
により、燃料処理装置２および空気供給装置３に目標値
に対応した量の燃料ガスおよび空気の供給を指令する。
ところが、前述したように燃料ガスおよび空気の供給は
電気的出力の上昇に比べて応答速度が低いため、急激な
負荷上昇指令に追従して燃料電池１への燃料ガスおよび
空気の供給量が増加せず、燃料電池１の燃料極および空
気極に一時的にガス不足状態が発生する。
【０００６】燃料電池にガス不足状態が一旦発生する
と、燃料電池の発電電圧が低下するため、電力変換装置
４は燃料電池の出力電流を増加させて出力電力を目標値
に合わせようとし、これが原因で燃料電池１の電圧が一
層低下する悪循環が発生し、ついには燃料電池がガス欠
状態に至る。この場合、燃料電池の熱容量による温度上
昇の遅れも、燃料電池に発電特性の温度依存性があるた
め負荷上昇時の電流の増加につながる。この結果、多数
積層された単位セルのうち、各電極に形成された反応ガ
ス通路の断面形状のバラツキなどにより、反応ガスの流
れ難い単位セルからセル電圧が逆転したり、あるいは電
極間に加わるガス圧の差が増大して電極間でガスの吹き
抜けが生ずるなどの燃料電池の損傷が発生し、遂には燃
料電池の連続運転が不可能になる事態に進展するという
問題がり、ガス不足状態を早期に検知して燃料電池の発
電運転を停止し、燃料電池の損傷を防止できる保護停止
方法の確立が求められている。
と、燃料電池の発電電圧が低下するため、電力変換装置
４は燃料電池の出力電流を増加させて出力電力を目標値
に合わせようとし、これが原因で燃料電池１の電圧が一
層低下する悪循環が発生し、ついには燃料電池がガス欠
状態に至る。この場合、燃料電池の熱容量による温度上
昇の遅れも、燃料電池に発電特性の温度依存性があるた
め負荷上昇時の電流の増加につながる。この結果、多数
積層された単位セルのうち、各電極に形成された反応ガ
ス通路の断面形状のバラツキなどにより、反応ガスの流
れ難い単位セルからセル電圧が逆転したり、あるいは電
極間に加わるガス圧の差が増大して電極間でガスの吹き
抜けが生ずるなどの燃料電池の損傷が発生し、遂には燃
料電池の連続運転が不可能になる事態に進展するという
問題がり、ガス不足状態を早期に検知して燃料電池の発
電運転を停止し、燃料電池の損傷を防止できる保護停止
方法の確立が求められている。
【０００７】図６は燃料電池発電装置の従来の保護停止
方法における保護動作の説明図であり、燃料電池スタッ
ク１のガス不足状態をその出力直流電圧の低下によって
検知するために、燃料電池スタック１の計画Ｉ−Ｖ特性
曲線（計画電流−電圧特性曲線）１０に対し、保護停止
の判定曲線１１として電流Ｉの大小に関わりなく一定電
圧ＶL を設定し、燃料電池スタック１の出力直流電圧Ｖ
i が判定レベルＶL まで低下したとき、燃料電池にガス
不足状態が発生したものと判断し、例えば電力変換装置
４の出力を絞り、燃料電池スタック１の発電を停止する
保護停止を行うよう構成した方法が知られている。ま
た、燃料電池スタック１を複数の単位セルを１ブロック
とする複数のセル区間に区分し、セル区間それぞれの電
圧を検出し、一定電圧ＶL と照合し、保護停止する方法
も知られている。
方法における保護動作の説明図であり、燃料電池スタッ
ク１のガス不足状態をその出力直流電圧の低下によって
検知するために、燃料電池スタック１の計画Ｉ−Ｖ特性
曲線（計画電流−電圧特性曲線）１０に対し、保護停止
の判定曲線１１として電流Ｉの大小に関わりなく一定電
圧ＶL を設定し、燃料電池スタック１の出力直流電圧Ｖ
i が判定レベルＶL まで低下したとき、燃料電池にガス
不足状態が発生したものと判断し、例えば電力変換装置
４の出力を絞り、燃料電池スタック１の発電を停止する
保護停止を行うよう構成した方法が知られている。ま
た、燃料電池スタック１を複数の単位セルを１ブロック
とする複数のセル区間に区分し、セル区間それぞれの電
圧を検出し、一定電圧ＶL と照合し、保護停止する方法
も知られている。
【０００８】しかしながら、保護停止開始の判定曲線１
１が燃料電池の出力電流Ｉに無関係に一定電圧ＶL に固
定されているために、計画Ｉ−Ｖ曲線との差電圧ΔＶ＝
ＶO−ＶL （出力電圧の低下量に相当する）が低電流
（低電力）領域で大きくなり、この領域でガス不足が生
じた場合にはその検知が大幅に遅れ、単位セルの損傷を
回避できないという問題が発生する。また、過渡的にあ
る部分の単位セルのみに電圧低下を生ずる場合を想定し
て、燃料電池スタック１を複数のセル区間に区分して電
圧を検出するよう構成した場合においても、低電流領域
で差電圧ΔＶが大きいことが障害となり、この領域での
ガス不足状態の検出が大幅に遅れ、単位セルの損傷を十
分には回避できないという問題が発生する。
１が燃料電池の出力電流Ｉに無関係に一定電圧ＶL に固
定されているために、計画Ｉ−Ｖ曲線との差電圧ΔＶ＝
ＶO−ＶL （出力電圧の低下量に相当する）が低電流
（低電力）領域で大きくなり、この領域でガス不足が生
じた場合にはその検知が大幅に遅れ、単位セルの損傷を
回避できないという問題が発生する。また、過渡的にあ
る部分の単位セルのみに電圧低下を生ずる場合を想定し
て、燃料電池スタック１を複数のセル区間に区分して電
圧を検出するよう構成した場合においても、低電流領域
で差電圧ΔＶが大きいことが障害となり、この領域での
ガス不足状態の検出が大幅に遅れ、単位セルの損傷を十
分には回避できないという問題が発生する。
【０００９】この発明の目的は、燃料電池の負荷上昇指
令時に燃料電池スタックに局部的に発生するガス不足状
態を早期に検知して保護停止することにより、燃料電池
の損傷を回避することにある。
令時に燃料電池スタックに局部的に発生するガス不足状
態を早期に検知して保護停止することにより、燃料電池
の損傷を回避することにある。
【００１０】
【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、単位セルの積層体からなる燃料
電池スタックと、この燃料電池スタックに燃料ガスを供
給する燃料処理装置、および空気供給装置と、前記燃料
電池スタックの出力直流電力を負荷電力に変換して出力
する電力変換装置と、前記各部を連系制御する制御装置
とを含む燃料電池発電装置において、負荷上昇指令時に
生ずるガス不足状態を前記燃料電池スタックの出力電圧
の低下により検出して保護停止する方法であって、前記
燃料電池スタックの出力電圧を複数単位セルをセル区間
として複数のセル区間について検出し、検出電圧の最低
値が負荷電力の大きさに係わりなく一定電圧低下したと
き保護停止することとする。
に、この発明によれば、単位セルの積層体からなる燃料
電池スタックと、この燃料電池スタックに燃料ガスを供
給する燃料処理装置、および空気供給装置と、前記燃料
電池スタックの出力直流電力を負荷電力に変換して出力
する電力変換装置と、前記各部を連系制御する制御装置
とを含む燃料電池発電装置において、負荷上昇指令時に
生ずるガス不足状態を前記燃料電池スタックの出力電圧
の低下により検出して保護停止する方法であって、前記
燃料電池スタックの出力電圧を複数単位セルをセル区間
として複数のセル区間について検出し、検出電圧の最低
値が負荷電力の大きさに係わりなく一定電圧低下したと
き保護停止することとする。
【００１１】また、セル区間の計画Ｉ−Ｖ曲線を一定電
圧低い側に平行移動した曲線を電圧低下の判定曲線と
し、所定の指令電力値に対する検出電圧の最低値が、判
定曲線上の指令電力値に対応する電圧値まで低下したと
き、セル区間電圧の最低値が一定電圧低下したものと判
定して保護停止することとする。さらに、複数のセル区
間の検出電圧の平均値、およびこの平均値と各検出電圧
との差電圧を求め、得られた差電圧とセル区間毎に定ま
る補正電圧との和の最大値が一定電圧を越えたとき、セ
ル区間電圧の最低値が一定電圧低下したものと判定して
保護停止することとする。
圧低い側に平行移動した曲線を電圧低下の判定曲線と
し、所定の指令電力値に対する検出電圧の最低値が、判
定曲線上の指令電力値に対応する電圧値まで低下したと
き、セル区間電圧の最低値が一定電圧低下したものと判
定して保護停止することとする。さらに、複数のセル区
間の検出電圧の平均値、およびこの平均値と各検出電圧
との差電圧を求め、得られた差電圧とセル区間毎に定ま
る補正電圧との和の最大値が一定電圧を越えたとき、セ
ル区間電圧の最低値が一定電圧低下したものと判定して
保護停止することとする。
【００１２】
【作用】この発明のにおいて、燃料電池スタックの出力
電圧が負荷電力の大きさに係わりなく一定電圧低下した
とき保護停止するよう構成したことにより、低電流領域
でのガス不足状態を早期に検出できないという従来技術
の問題点を排除し、全ての負荷領域でガス不足状態を早
期に検知して燃料電池の損傷を防止する機能が得られ
る。また、複数単位セルをセル区間として複数のセル区
間について電圧の低下を検出し、検出電圧の最低値が一
定電圧低下したとき保護停止するよう構成したことによ
り、限られた単位セルで発生したガス不足状態をも迅速
かつ高感度で検出して単位セルの損傷を防止する機能が
得られる。
電圧が負荷電力の大きさに係わりなく一定電圧低下した
とき保護停止するよう構成したことにより、低電流領域
でのガス不足状態を早期に検出できないという従来技術
の問題点を排除し、全ての負荷領域でガス不足状態を早
期に検知して燃料電池の損傷を防止する機能が得られ
る。また、複数単位セルをセル区間として複数のセル区
間について電圧の低下を検出し、検出電圧の最低値が一
定電圧低下したとき保護停止するよう構成したことによ
り、限られた単位セルで発生したガス不足状態をも迅速
かつ高感度で検出して単位セルの損傷を防止する機能が
得られる。
【００１３】また、セル区間の計画Ｉ−Ｖ曲線を一定電
圧低い側に平行移動した曲線を電圧低下の判定曲線と
し、所定の指令電力値に対する検出電圧の最低値が、判
定曲線上の指令電力値に対応する電圧値まで低下したと
き保護停止するよう構成すれば、燃料電池スタックの初
期特性として補償された計画Ｉ−Ｖ曲線に基づいて一定
電圧低い保護停止の判定レベルを全ての負荷領域に渡っ
て精度よく設定できるとともに、電力上昇指令の指令電
力値に対応する保護電圧値を判定曲線上から容易に選択
できるので、セル区間電圧の出力電圧の最低値が選択さ
れた保護電圧値まで低下したとき保護停止を行うことに
より、ガス不足の発生をセル区間単位で早期に検出し、
単位セルの損傷を防止する機能が得られ、かつ計画Ｉ−
Ｖ曲線と判定曲線の間に保持する一定の電圧差の決め方
により、保護停止するガス不足状態の程度を調整する機
能も得られる。
圧低い側に平行移動した曲線を電圧低下の判定曲線と
し、所定の指令電力値に対する検出電圧の最低値が、判
定曲線上の指令電力値に対応する電圧値まで低下したと
き保護停止するよう構成すれば、燃料電池スタックの初
期特性として補償された計画Ｉ−Ｖ曲線に基づいて一定
電圧低い保護停止の判定レベルを全ての負荷領域に渡っ
て精度よく設定できるとともに、電力上昇指令の指令電
力値に対応する保護電圧値を判定曲線上から容易に選択
できるので、セル区間電圧の出力電圧の最低値が選択さ
れた保護電圧値まで低下したとき保護停止を行うことに
より、ガス不足の発生をセル区間単位で早期に検出し、
単位セルの損傷を防止する機能が得られ、かつ計画Ｉ−
Ｖ曲線と判定曲線の間に保持する一定の電圧差の決め方
により、保護停止するガス不足状態の程度を調整する機
能も得られる。
【００１４】さらに、複数のセル区間の検出電圧の平均
値、およびこの平均値と各検出電圧との差電圧を求め、
得られた差電圧とセル区間毎に定まる補正電圧との和の
最大値が一定電圧を越えたとき、セル区間電圧の最低値
が一定電圧低下したものと判定して保護停止するよう構
成すれば、負荷上昇指令による出力電力の増加に反比例
して下降過程にある各セル区間の検出電圧の平均値を基
準にして、電圧上昇の最も遅いセル区間を検出し、かつ
そのセル区間におけるセル温度，燃料ガスの流れ易さな
ど電圧のバラツキ要因を補正電圧を加えることによって
補正し、なおかつ平均値に対する電圧差（電圧低下）が
一定電圧を越えたとき保護停止するので、負荷上昇指令
直後に過渡的に生ずる供給ガスの過不足状態を電圧の過
渡的変化としてセル区間毎にリアルタイムで監視し、木
目細かい状況判断に基づいて保護停止を行うことが可能
となり、局所的，経時的なセルの特性低下を迅速に検知
してセルの損傷を最小限に抑制する機能が得られるとと
もに、保護停止が掛からない状態ではガス不足による燃
料電池の損傷を懸念することなく、燃料電池発電装置を
安全な継続運転状態に保持する機能が得られる。
値、およびこの平均値と各検出電圧との差電圧を求め、
得られた差電圧とセル区間毎に定まる補正電圧との和の
最大値が一定電圧を越えたとき、セル区間電圧の最低値
が一定電圧低下したものと判定して保護停止するよう構
成すれば、負荷上昇指令による出力電力の増加に反比例
して下降過程にある各セル区間の検出電圧の平均値を基
準にして、電圧上昇の最も遅いセル区間を検出し、かつ
そのセル区間におけるセル温度，燃料ガスの流れ易さな
ど電圧のバラツキ要因を補正電圧を加えることによって
補正し、なおかつ平均値に対する電圧差（電圧低下）が
一定電圧を越えたとき保護停止するので、負荷上昇指令
直後に過渡的に生ずる供給ガスの過不足状態を電圧の過
渡的変化としてセル区間毎にリアルタイムで監視し、木
目細かい状況判断に基づいて保護停止を行うことが可能
となり、局所的，経時的なセルの特性低下を迅速に検知
してセルの損傷を最小限に抑制する機能が得られるとと
もに、保護停止が掛からない状態ではガス不足による燃
料電池の損傷を懸念することなく、燃料電池発電装置を
安全な継続運転状態に保持する機能が得られる。
【００１５】
【実施例】以下、この発明を実施例に基づいて説明す
る。図１はこの発明の実施例になる燃料電池発電装置の
保護停止方法における保護動作の説明図、図２は実施例
になる保護停止方法を示すシステム構成図であり、従来
技術と同じ構成部分には同一参照符号を付すことによ
り、重複した説明を省略する。実施例になる燃料電池発
電装置の保護停止方法においては、図に示すように燃料
電池スタック１を複数の単位セルを単位として複数のセ
ル区間１a,１b,１ｃ，・・１f 等１i に区分し、複数の
電圧検出器２２によりそれぞれのセル区間の電圧Ｖa,Ｖ
b,Ｖc,・・Ｖｎ等１i を検出し、判断部２３において各
検出電圧をあらかじめ定まる保護レベルの設定値Ｖp と
照合し、負荷変化指令９s により燃料電池スタックの出
力電力を急増する過程で、セル区間電圧Ｖa,Ｖb,Ｖc,・
・Ｖf 等のいずれかが保護レベル設定値にまで低下した
とき、いずれかのセル区間にガス不足状態が発生したも
のと判断して保護停止するよう構成される。
る。図１はこの発明の実施例になる燃料電池発電装置の
保護停止方法における保護動作の説明図、図２は実施例
になる保護停止方法を示すシステム構成図であり、従来
技術と同じ構成部分には同一参照符号を付すことによ
り、重複した説明を省略する。実施例になる燃料電池発
電装置の保護停止方法においては、図に示すように燃料
電池スタック１を複数の単位セルを単位として複数のセ
ル区間１a,１b,１ｃ，・・１f 等１i に区分し、複数の
電圧検出器２２によりそれぞれのセル区間の電圧Ｖa,Ｖ
b,Ｖc,・・Ｖｎ等１i を検出し、判断部２３において各
検出電圧をあらかじめ定まる保護レベルの設定値Ｖp と
照合し、負荷変化指令９s により燃料電池スタックの出
力電力を急増する過程で、セル区間電圧Ｖa,Ｖb,Ｖc,・
・Ｖf 等のいずれかが保護レベル設定値にまで低下した
とき、いずれかのセル区間にガス不足状態が発生したも
のと判断して保護停止するよう構成される。
【００１６】この実施例の場合、保護レベルの設定値Ｖ
p の決め方としては、図１に示すように、初期セル区間
電圧に対応する計画Ｉ−Ｖ曲線２０を基準とし、この曲
線を一定電圧ΔＶ低い側に平行移動した曲線を電圧低下
の判定曲線２１として設定する。負荷変化指令９s によ
る所定の指令電力値をＩs ×Ｖs とした場合、電流Ｉs
に相応する判定曲線２１上の電圧値Ｖp が保護レベル設
定値として判断部２３に自動設定され、電圧検出器２２
の検出電圧Ｖa,Ｖb,Ｖc,・・Ｖf と保護レベル設定値Ｖ
p とがそれぞれ照合される。
p の決め方としては、図１に示すように、初期セル区間
電圧に対応する計画Ｉ−Ｖ曲線２０を基準とし、この曲
線を一定電圧ΔＶ低い側に平行移動した曲線を電圧低下
の判定曲線２１として設定する。負荷変化指令９s によ
る所定の指令電力値をＩs ×Ｖs とした場合、電流Ｉs
に相応する判定曲線２１上の電圧値Ｖp が保護レベル設
定値として判断部２３に自動設定され、電圧検出器２２
の検出電圧Ｖa,Ｖb,Ｖc,・・Ｖf と保護レベル設定値Ｖ
p とがそれぞれ照合される。
【００１７】燃料電池スタック１の出力電流がＩs より
小さい負荷領域で電流をＩs に増加する負荷上昇指令９
s を受けた場合、制御部５（図５参照）が発する制御信
号４Ｓにより電力変換装置４に目標値に対応した電力の
出力を指令し、制御信号２ｓ，３ｓにより、燃料処理装
置２および空気供給装置３に目標値に対応した量の燃料
ガスおよび空気の供給を指令することにより、燃料電池
スタック１の出力電流が増加するに伴い、各セル区間の
電圧Ｖa,Ｖb,Ｖc,・・Ｖf が目標電圧Ｖs に向けて変化
する。しかし、セル区間相互間には単位セルの温度上昇
の遅れや、反応ガス通路の断面形状のバラツキなどにバ
ラツキがあり、悪条件が重なった単位セルでガス不足が
発生し、これに伴ってこの単位セルを含むセル区間電圧
の低下幅が大きくなり判定曲線２１に近づく。従って、
このガス不足状態となったセル区間電圧が判定レベルの
設定値Ｖp に一致するよう、計画Ｉ−Ｖ曲線２０と判定
曲線２１との電圧差ΔＶを設定しておけば、検出電圧の
最低値を早期に検知して燃料電池スタックを保護停止す
ることが可能になり、単位セルの損傷を最小限に抑える
ことができるとともに、保護停止が掛からない状態では
燃料電池発電装置を安心して継続運転できる信頼性の高
い保護停止方法が得られる。なお、計画Ｉ−Ｖ曲線と判
定曲線の間に保持する一定の電圧差ΔＶを可変にすれ
ば、保護停止するガス不足状態の程度を調整できる利点
も得られる。
小さい負荷領域で電流をＩs に増加する負荷上昇指令９
s を受けた場合、制御部５（図５参照）が発する制御信
号４Ｓにより電力変換装置４に目標値に対応した電力の
出力を指令し、制御信号２ｓ，３ｓにより、燃料処理装
置２および空気供給装置３に目標値に対応した量の燃料
ガスおよび空気の供給を指令することにより、燃料電池
スタック１の出力電流が増加するに伴い、各セル区間の
電圧Ｖa,Ｖb,Ｖc,・・Ｖf が目標電圧Ｖs に向けて変化
する。しかし、セル区間相互間には単位セルの温度上昇
の遅れや、反応ガス通路の断面形状のバラツキなどにバ
ラツキがあり、悪条件が重なった単位セルでガス不足が
発生し、これに伴ってこの単位セルを含むセル区間電圧
の低下幅が大きくなり判定曲線２１に近づく。従って、
このガス不足状態となったセル区間電圧が判定レベルの
設定値Ｖp に一致するよう、計画Ｉ−Ｖ曲線２０と判定
曲線２１との電圧差ΔＶを設定しておけば、検出電圧の
最低値を早期に検知して燃料電池スタックを保護停止す
ることが可能になり、単位セルの損傷を最小限に抑える
ことができるとともに、保護停止が掛からない状態では
燃料電池発電装置を安心して継続運転できる信頼性の高
い保護停止方法が得られる。なお、計画Ｉ−Ｖ曲線と判
定曲線の間に保持する一定の電圧差ΔＶを可変にすれ
ば、保護停止するガス不足状態の程度を調整できる利点
も得られる。
【００１８】図３はこの発明の異なる実施例になる燃料
電池発電装置の保護停止方法を示すシステム構成図、図
４は異なる実施例になる保護停止方法における保護動作
の説明図である。図において、燃料電池スタック１を例
えば１a,１b,１ｃ，・・１nなどｎ個のセル区間に区分
し、電圧検出器２２でそれぞれ検出されたセル区間電圧
Ｖa,Ｖb,Ｖc,Ｖd,Ｖe,Ｖf 等ｎ個の検出値は、平均値演
算部３２でその平均値Ｖave ＝Ｖa+Ｖb+Ｖc+Ｖd+Ｖe+Ｖ
f ・・／ｎが求められる。次いで、電圧低下の演算部３
３において検出電圧の平均値Ｖave に対する各検出電圧
の低下量およびその補正 (Ｖave −Ｖi ) ＋Ｖki（添字
ｉは任意のセル区間を示す）が計算される。ただし、補
正電圧Ｖkiは、セル区間相互の温度差，燃料ガスの流れ
易さ，などの初期条件の差がセル区間電圧に及ぼす影響
を考慮して予め決められる。また、上記検出電圧の低下
量の計算は平均値Ｖave より低い検出電圧に対してのみ
行うよう構成されてよい。
電池発電装置の保護停止方法を示すシステム構成図、図
４は異なる実施例になる保護停止方法における保護動作
の説明図である。図において、燃料電池スタック１を例
えば１a,１b,１ｃ，・・１nなどｎ個のセル区間に区分
し、電圧検出器２２でそれぞれ検出されたセル区間電圧
Ｖa,Ｖb,Ｖc,Ｖd,Ｖe,Ｖf 等ｎ個の検出値は、平均値演
算部３２でその平均値Ｖave ＝Ｖa+Ｖb+Ｖc+Ｖd+Ｖe+Ｖ
f ・・／ｎが求められる。次いで、電圧低下の演算部３
３において検出電圧の平均値Ｖave に対する各検出電圧
の低下量およびその補正 (Ｖave −Ｖi ) ＋Ｖki（添字
ｉは任意のセル区間を示す）が計算される。ただし、補
正電圧Ｖkiは、セル区間相互の温度差，燃料ガスの流れ
易さ，などの初期条件の差がセル区間電圧に及ぼす影響
を考慮して予め決められる。また、上記検出電圧の低下
量の計算は平均値Ｖave より低い検出電圧に対してのみ
行うよう構成されてよい。
【００１９】計算結果は判断部３４に送られて保護レベ
ル設定器３５に予め設定された判定電圧ΔＶj と照合さ
れ、図４に示すように例えばセル区間１f が (Ｖave −
Ｖf) ＋Ｖkf≧ΔＶj を満たす状態となったとき、セル
区間１f にガス不足状態が発生したものと判断し、判断
部が保護停止指令を発するよう構成される。このように
構成された保護停止方法においては、負荷上昇指令によ
る出力電力の増加に反比例して下降過程にある各セル区
間の検出電圧の平均値Ｖave を基準にして、電圧上昇の
最も遅いセル区間（図では１f ）を平均値Ｖave に対す
る検出電圧の低下分として検出し (Ｖave −Ｖi ) 、か
つそのセル区間におけるセル温度，燃料ガスの流れ易さ
など電圧のバラツキ要因を補正電圧Ｖkiを加えることに
よって補正し、なおかつ平均値に対する電圧差 (Ｖave
−Ｖi ) ＋Ｖkiが判定電圧ΔＶj を越えたとき保護停止
するので、負荷上昇指令直後に過渡的に生ずる供給ガス
の過不足状態を電圧の過渡的変化としてセル区間毎にリ
アルタイムで監視し、木目細かい状況判断に基づいて保
護停止を行うことが可能となり、局所的，経時的なセル
の特性低下を検知してセルの損傷を最小限に抑制する機
能が得られるとともに、保護停止が掛からない状態では
ガス欠やこれに伴う燃料電池の損傷を懸念することなく
負荷の上昇，下降制御を行えるとともに、燃料電池発電
装置を安全に継続運転できる利点が得られる。
ル設定器３５に予め設定された判定電圧ΔＶj と照合さ
れ、図４に示すように例えばセル区間１f が (Ｖave −
Ｖf) ＋Ｖkf≧ΔＶj を満たす状態となったとき、セル
区間１f にガス不足状態が発生したものと判断し、判断
部が保護停止指令を発するよう構成される。このように
構成された保護停止方法においては、負荷上昇指令によ
る出力電力の増加に反比例して下降過程にある各セル区
間の検出電圧の平均値Ｖave を基準にして、電圧上昇の
最も遅いセル区間（図では１f ）を平均値Ｖave に対す
る検出電圧の低下分として検出し (Ｖave −Ｖi ) 、か
つそのセル区間におけるセル温度，燃料ガスの流れ易さ
など電圧のバラツキ要因を補正電圧Ｖkiを加えることに
よって補正し、なおかつ平均値に対する電圧差 (Ｖave
−Ｖi ) ＋Ｖkiが判定電圧ΔＶj を越えたとき保護停止
するので、負荷上昇指令直後に過渡的に生ずる供給ガス
の過不足状態を電圧の過渡的変化としてセル区間毎にリ
アルタイムで監視し、木目細かい状況判断に基づいて保
護停止を行うことが可能となり、局所的，経時的なセル
の特性低下を検知してセルの損傷を最小限に抑制する機
能が得られるとともに、保護停止が掛からない状態では
ガス欠やこれに伴う燃料電池の損傷を懸念することなく
負荷の上昇，下降制御を行えるとともに、燃料電池発電
装置を安全に継続運転できる利点が得られる。
【００２０】
【発明の効果】この発明は前述のように、燃料電池スタ
ックの出力電圧を複数単位セルをセル区間として複数の
セル区間について検出し、検出電圧の最低値が負荷電力
の大きさに係わりなく一定電圧低下したとき保護停止す
るよう燃料電池の負荷上昇時における保護停止方法を構
成した。その結果、低電流領域でのガス不足状態を早期
に検出できないという従来技術の問題点を排除し、全て
の負荷領域でガス不足状態を早期に検知して燃料電池の
損傷を防止できるとともに、限られた単位セルで過渡的
に発生するガス不足状態をも迅速かつ高感度で検出して
単位セルの特性低下を防止でき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。
ックの出力電圧を複数単位セルをセル区間として複数の
セル区間について検出し、検出電圧の最低値が負荷電力
の大きさに係わりなく一定電圧低下したとき保護停止す
るよう燃料電池の負荷上昇時における保護停止方法を構
成した。その結果、低電流領域でのガス不足状態を早期
に検出できないという従来技術の問題点を排除し、全て
の負荷領域でガス不足状態を早期に検知して燃料電池の
損傷を防止できるとともに、限られた単位セルで過渡的
に発生するガス不足状態をも迅速かつ高感度で検出して
単位セルの特性低下を防止でき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。
【００２１】また、保護停止が掛からない状態ではガス
欠やこれに伴う燃料電池の損傷を懸念することなく負荷
の上昇，下降制御を行えるとともに、燃料電池発電装置
を安全に継続運転できる利点が得られる。
欠やこれに伴う燃料電池の損傷を懸念することなく負荷
の上昇，下降制御を行えるとともに、燃料電池発電装置
を安全に継続運転できる利点が得られる。
【図１】この発明の実施例になる燃料電池発電装置の保
護停止方法における保護動作の説明図
護停止方法における保護動作の説明図
【図２】実施例になる保護停止方法を示すシステム構成
図
図
【図３】この発明の異なる実施例になる燃料電池発電装
置の保護停止方法を示すシステム構成図
置の保護停止方法を示すシステム構成図
【図４】異なる実施例になる保護停止方法における保護
動作の説明図
動作の説明図
【図５】燃料電池発電装置の一般的なシステム構成図
【図６】燃料電池発電装置の従来の保護停止方法におけ
る保護動作の説明図
る保護動作の説明図
【符号の説明】 １ 燃料電池スタック １i セル区間 ２ 燃料処理装置 ３ 空気供給装置 ４ 電力変換装置 ５ 制御装置 ９s 負荷変化指令 １０ 計画Ｉ−Ｖ特性曲線 １１ 判定曲線 ２０ 計画Ｉ−Ｖ特性曲線 ２１ 判定曲線 ２２ 電圧検出器 ２３ 判断部 ３２ 平均値演算部 ３３ 電圧低下の演算部 ３４ 判断部 ３５ 保護レベル設定器 Ｖs セル区間電圧（指令値） Ｉs 出力電流（指令値） Ｖp 保護レベル設定値 ΔＶ 電圧低下幅（判定電圧） Ｖave 検出電圧の平均値 Ｖf セル区間電圧（セル区間１f の検出値） Ｖkf セル区間１f の補正電圧 ΔＶj 電圧降下幅（判定電圧）
Claims (3)
- 【請求項１】単位セルの積層体からなる燃料電池スタッ
クと、この燃料電池スタック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、前記燃料電池スタッ
クの出力直流電力を負荷電力に変換して出力する電力変
換装置と、前記各部を連系制御する制御装置とを含む燃
料電池発電装置において、負荷上昇指令時に生ずるガス
不足状態を前記燃料電池スタックの出力電圧の低下によ
り検出して保護停止する方法であって、前記燃料電池ス
タックの出力電圧を複数単位セルをセル区間として複数
のセル区間について検出し、検出電圧の最低値が負荷電
力の大きさに係わりなく一定電圧低下したとき保護停止
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。 - 【請求項２】セル区間の計画Ｉ−Ｖ特性曲線を一定電圧
低い側に平行移動した曲線を電圧低下の判定曲線とし、
所定の指令電力値に対する検出電圧の最低値が、判定曲
線上の指令電力値に対応する電圧値まで低下したとき、
セル区間電圧の最低値が一定電圧低下したものと判定し
て保護停止す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。 - 【請求項３】複数のセル区間の検出電圧の平均値、およ
びこの平均値と各検出電圧との差電圧を求め、得られた
差電圧とセル区間毎に定まる補正電圧との和の最大値が
一定電圧を越えたとき、セル区間電圧の最低値が一定電
圧低下したものと判定して保護停止することを特徴とす
る請求項１記載の燃料電池発電装置の保護停止方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP50A JPH06243882A (ja) | 1993-02-16 | 1993-02-16 | 燃料電池発電装置の保護停止方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP50A JPH06243882A (ja) | 1993-02-16 | 1993-02-16 | 燃料電池発電装置の保護停止方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH06243882A true JPH06243882A (ja) | 1994-09-02 |
Family
ID=12177699
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP50A Pending JPH06243882A (ja) | 1993-02-16 | 1993-02-16 | 燃料電池発電装置の保護停止方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH06243882A (ja) |
Cited By (14)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP0918363A1 (de) * | 1997-11-20 | 1999-05-26 | Siemens Aktiengesellschaft | Verfahren und Vorrichtung zum Überwachen einer ausgewählten Gruppe von Brennstoffzellen eines Hochtemperatur-Brennstoff-zellenstapels |
| WO2004051773A3 (en) * | 2002-12-03 | 2004-08-26 | Hydrogenics Corp | Method and apparatus for monitoring fuel cell voltages |
| JP2004311333A (ja) * | 2003-04-10 | 2004-11-04 | Nissan Motor Co Ltd | 燃料電池の発電量制御装置 |
| US7285344B2 (en) | 2002-07-30 | 2007-10-23 | Denso Corporation | Fuel cell control system |
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| US7527882B2 (en) | 2002-05-10 | 2009-05-05 | Honda Giken Kogyo Kabushiki Kaisha | Method for detecting undersupply of fuel gas and method for controlling fuel cell |
| US7582376B2 (en) | 2004-09-29 | 2009-09-01 | Kabushiki Kaisha Toshiba | Proton conductive polymer and fuel cell using the same |
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| CN102468511A (zh) * | 2010-11-03 | 2012-05-23 | 财团法人工业技术研究院 | 燃料电池系统 |
| WO2013099287A1 (ja) | 2011-12-28 | 2013-07-04 | パナソニック株式会社 | 燃料電池システムおよびその運転方法 |
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| CN108682880A (zh) * | 2018-05-31 | 2018-10-19 | 天津中德应用技术大学 | 质子交换膜氢燃料电池堆输出保护装置及其控制方法 |
| CN114910797A (zh) * | 2021-02-07 | 2022-08-16 | 广州汽车集团股份有限公司 | 燃料电池电堆诊断方法、装置及计算机存储介质 |
| CN116259803A (zh) * | 2022-12-20 | 2023-06-13 | 广东清能新能源技术有限公司 | 燃料电池运行状态的控制方法、系统、设备和介质 |
-
1993
- 1993-02-16 JP JP50A patent/JPH06243882A/ja active Pending
Cited By (20)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| CN116259803A (zh) * | 2022-12-20 | 2023-06-13 | 广东清能新能源技术有限公司 | 燃料电池运行状态的控制方法、系统、设备和介质 |
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