(57)【要約】【課題】  本発明は、ガス欠運転状態を回避できる地絡検出機能を有し、性能の劣化を起こすことのない燃料電池発電システムを提供することにある。【解決手段】  電気化学反応により発電を行う燃料電池２と、燃料電池２の正極側の出力端子と、負極側の出力端子と、の間に、直列に接続されたスイッチ５および２つの抵抗６、７と、直列に接続された２つの抵抗の中間に、一方の端子が接続され、他方の端子がアースに接続された地絡検出部８と、スイッチを制御する制御部９と、を備え、制御部９は、燃料電池２の起動が完了し発電可能となった時に、スイッチを投入し、燃料電池２の停止操作の開始時に、スイッチを切断することを特徴とする燃料電池発電システム。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気化学反応により発電を行う燃料電池と、
前記燃料電池の正極側の出力端子と負極側の出力端子との間に直列に接続されたスイッチおよび２つの抵抗と、
前記直列に接続された２つの抵抗の中間に、一方の端子が接続され、他方の端子がアースに接続された地絡検出部と、
前記スイッチを制御する制御部と、を備え、
前記制御部は、前記燃料電池の発電可能な期間に前記スイッチをオンすることを特徴とする燃料電池発電システム。
【請求項２】
前記制御部は、前記燃料電池の起動が完了後に前記スイッチを投入し、前記燃料電池の停止操作の開始時に、前記スイッチを切断することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池発電システム。
【請求項３】
前記燃料電池に供給される燃料ガスの流量を検出する流量計をさらに備え、
前記制御部は、前記流量計が検出した燃料ガスの流量に応じて前記燃料電池の発電可能な期間を判断することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の燃料電池発電システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、地絡検出回路を備えた燃料電池発電システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池のような直流電源から電力を供給する発電システムでは、人が誤って電線に触れた場合の感電事故において、人体に及ぼす危険性が商用の交流電源に比べて高いとされている。このため、直流電源装置には地絡保護回路が挿入され、万が一の場合の危険回避を図っている。
【０００３】
特許文献１には、直流電源の地絡の検出方法として、正極と負極の間に２つの抵抗を接続し、２つの抵抗の中間をアースに接続し、そこを流れる電流により地絡を検出する方法が開示されている。
【０００４】
上記の地絡検出回路を備えた燃料電池発電システムを図４に示す。燃料電池３２は、トリップ信号により遮断できる機能を備えた遮断器３３を介して負荷３４に電力を供給する。一方、燃料電池３２の出力端子には、直列に接続された高抵抗３６および３７が、負荷３４に並列に接続されている。さらに、高抵抗３６と３７の中間点が、地絡電流検出部３８を介して接地されている。また、地絡電流検出部３８の検出信号は、遮断器３３のトリップ信号端子に送信される。
【０００５】
例えば、遮断器３３が接続されている状態で、人体３９が誤って電線に触れたとすれば、燃料電池３２の正極出力端子から人体３９、接地面、地絡電流検出部３８、抵抗３７、燃料電池３２の負極端子の経路で地絡電流が流れる。この際、抵抗３７が高抵抗であることにより、人体３９に流れる地絡電流が制限される。また、地絡電流３８が流れる電流を検出してトリップ信号を発信し、遮断器３３を強制的に遮断して安全を確保する。また、本地絡検出回路は漏電の場合にも有効であり、広く用いられている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平６−１３３４４５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上記の従来の技術を燃料電池発電システムに適用した場合には、以下の問題があった。
【０００８】
図４に示す燃料電池発電システム２０の場合、抵抗３６と３７が燃料電池３２の出力端子に常時接続されているため、燃料電池３２に起電力がある限り、常に電流が流れることになる。
【０００９】
燃料電池３２は、燃料極に水素、および酸素極に酸素が供給されている限り起電力を生じ発電を続ける。すなわち、燃料電池３２を停止するために燃料ガスを遮断したとしても、一定の時間の間において残留ガスが供給され、発電が継続される状態が生じる。また、燃料電池３２を起動するために燃料ガスを導入する場合においても、燃料ガスが安定に供給されるようになるまでの過渡期間において、ガス供給が不十分ながらも起電力が生じる。すなわち、燃料電池３２の出力に抵抗３６および３７が接続されていると、このような過渡的状態においても電流が流れることになる。
【００１０】
一方、上記のように燃料ガスの供給が不十分な状態で、燃料電池３２に電流を流す事は、ガス欠運転とされ燃料電池３２の性能劣化を引き起こすため、避けるべき状態である。
【００１１】
本発明は、上記の問題を鑑みてなされたものであり、ガス欠運転状態を回避できる地絡検出機能を有し、性能の劣化を起こすことのない燃料電池発電システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記課題を解決するために、本発明に係る燃料電池発電システムは、電気化学反応により発電を行う燃料電池と、前記燃料電池の正極側の出力端子と負極側の出力端子との間に直列に接続されたスイッチおよび２つの抵抗と、前記直列に接続された２つの抵抗の中間に、一方の端子が接続され、他方の端子がアースに接続された地絡検出部と、前記スイッチを制御する制御部と、を備え、前記制御部は、前記燃料電池の発電可能な期間に前記スイッチをオンすることを特徴とする。
【００１３】
これにより、燃料電池の起動時における、燃料ガスの供給が安定していない過渡的な期間、また、燃料電池の停止時において、残留ガスが供給されている時間にスイッチを切断することにより、抵抗に流れる電流を遮断することができる。これにより、ガス欠運転が回避されるので、燃料電池の性能劣化を防止することが可能となる。
【００１４】
さらに、本発明に係る燃料電池発電システムおいては、前記制御部は、前記燃料電池の起動が完了後に前記スイッチを投入し、前記燃料電池の停止操作の開始時に、前記スイッチを切断する。
【００１５】
さらに、本発明に係る燃料電池発電は、前記燃料電池に供給される燃料ガスの流量を検出する流量計をさらに備え、前記制御部は、前記流量計が検出した燃料ガスの流量に応じて前記燃料電池の発電可能な期間を判断する。これにより、燃料電池の起動時において、確実にガス欠運転を回避することができる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、燃料電池が発電不可能な状態、即ち電流を流すとガス欠状態となる場合には、地絡検出のための抵抗に電流が流れず、燃料電池の性能劣化を避けることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明に係る燃料電池発電システムを示す模式図である。
【図２】本発明に係る燃料電池の構成を示す模式図である。
【図３】本発明に係る燃料電池発電システムのタイムチャートを示す模式図である。
【図４】従来技術に係る燃料電池発電システムを示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明に係る好適な実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
【００１９】
図１は、本実施態様に係る燃料電池発電システム１０を示す模式図である。電気化学反応により発電を行う燃料電池２が、遮断器３を介して負荷４に電力を供給するシステムである。燃料電池２の正極側の出力端子と、負極側の出力端子との間には、スイッチ５と抵抗６および抵抗7が直列に接続されている。直列に接続された抵抗６と抵抗７の中間には、地絡電流検知部の一方の端子が接続され、また、他方の端子は、アースに接続されている。
【００２０】
さらに、燃料電池発電システム１０は制御部９を備えており、制御部９は、燃料電池２からの信号を受けてスイッチ５の開閉制御を行う。また、地絡電流検出部８が地絡電流を検出してトリップ信号を送信した場合には、そのトリップ信号を受けて遮断器３に信号を送り、負荷４への電流供給を遮断する。
【００２１】
制御部９は、燃料電池２の起動時における過渡状態において生じる起電力、および発電停止のために燃料ガスを遮断した後の残留ガスによって発生した起電力によって、抵抗６および抵抗７に電流が流れることを防ぐため、スイッチ５を切断する。また、燃料電池２が定常的に発電できる状態にある時に、スイッチ５を投入する制御を行う。この際、燃料電池２からは、燃料電池２の起動が完了し発電可能となったことを伝える制御信号、および、燃料電池２の停止操作が開始されたことを伝える制御信号が、制御部９へ送られる。
【００２２】
図２は、燃料電池２の構成を示す模式図である。燃料電池２の内部には、電気化学反応によって発電を行う燃料電池セル１２と、燃料ガスの水素含有量を増加させて供給する改質器１５が配置されている。改質器１５で多量の水素を含むガスに改質された燃料ガスは、燃料電池セル１２の燃料極１４へ供給される。一方、電気化学反応を起こすための酸素を供給する空気極１３には、ブロア１６により空気が送り込まれる。
【００２３】
燃料極１４に供給された水素と空気極１３に供給された酸素を、燃料電池セル１２の内部に配置された触媒の作用により電気化学反応させ、発生させた起電力を外部に取出す端子１７および１８が設けられている。正極端子１７は、酸素極１３側に接続され、負極側の端子１８は、燃料極１４側に接続されている。また、冷却水を循環ポンプ２５により循環させて、電気化学反応により生じた反応熱を外部に取り出す循環系２２、および、２次冷却水の循環系２３に接続されて余剰の熱を放出する冷却装置２４が配置されている。
【００２４】
本実施態様に係る燃料電池２において、起動が完了し発電可能となったことを伝える制御信号は、改質器１５から供給される燃料ガスの流量を検出する流量計１９より出力されて制御部９へ送られる。また、燃料電池２の停止操作が開始されたことを伝える制御信号は、改質器１５に供給する燃料ガスを制御する遮断弁２１から出力されて制御部９へ送られる。
【００２５】
図３は、本実施態様に係る燃料電池発電システム１０の動作を示すタイムチャートである。以下、図中の運転モードに示された起動から停止まで過程に従って、燃料ガスの供給状態、および、それに対応する地絡検出回路のスイッチ５の動作を説明する。
【００２６】
まず、停止状態にある燃料電池２が、時刻Ｔ１において起動させられる。停止状態においては、燃料電池２へのガスの燃料供給はなく、スイッチ５は開放状態となっている。
【００２７】
時刻Ｔ１において起動動作が開始されると、燃料電池２の発電開始に向けて、改質器１５および燃料電池セル１２を所定の温度に昇温する操作が行われる。さらに、起動動作の最終段階となった時刻Ｔ２において、改質器１５へ燃料ガスを供給するための遮断弁２１が開かれて、燃料ガスの導入が開始される。この際、燃料ガスの流量を検出する流量計１９から制御部９へ送られる制御信号は、まだ出力されない。
【００２８】
次に、時刻Ｔ３において、燃料ガスが増加して所定流量となったことを検出すると、流量計１９は制御信号を制御部９に出力する。制御部９はスイッチ５を投入し、地絡検出回路が動作可能な状態とする。これにより、燃料電池２に燃料ガスが供給され起電力が発生しているＴ２からＴ３の過渡期間において、地絡検出回路の抵抗６および７に電流が流れることを防ぎ、ガス欠運転を回避することができる。
【００２９】
時刻Ｔ３からＴ４の期間においては、燃料電池２は、通常の発電状態にあり、負荷４に対して電力を供給している。また、スイッチ５が投入された地絡検出回路は、投入状態を維持し漏電や地絡事故を検出可能な状態にある。
【００３０】
時刻Ｔ４において、発電装置の停止に向け、出力を低減し燃料ガスを遮断する操作が行われると、遮断弁２１は、制御部９に停止操作開始の制御信号を出力する。制御部９は、遮断弁２１からの制御信号を受けて、スイッチ５を開放する。これにより、改質器１５および燃料極１４につながる配管系に残留している燃料ガスによって、燃料電池セル１２に起電力が生じているＴ４からＴ５の間においても、地絡検出回路の抵抗６および７に電流が流れることを防ぎ、ガス欠運転を回避することができる。
【００３１】
さらに、Ｔ５からＴ６の停止動作期間において、燃料電池セル１２および改質器１５の温度が下げられ、燃料電池２が停止状態となる。スイッチ５は、次の起動操作が行われるまで、開放状態に維持される。
【００３２】
以上、本発明の好ましい実施態様について詳述したが、本発明に係る燃料電池発電システムは、上述した実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形、変更が可能である。例えば、燃料電池が発電可能であるか否かの判断において、燃料ガスの流量を検出して判定する上記実施態様に示された例に限定される訳でなく、燃料電池セルの温度や出力可能な電力量などに基づいて判断することも可能である。
【符号の説明】
【００３３】
２      燃料電池
５      スイッチ
６      抵抗
７      抵抗
８      地絡電流検出部
９      制御部
１０    燃料電池発電システム
１７    正極端子
１８    負極端子
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
2010244852.tif 000006