(57)【要約】【課題】安定稼働が可能な発電システムを提供する。【解決手段】直流電流を流す燃料電池101、燃料電池101の電圧を測定する電圧計51、燃料電池101に接続され、加えられた電圧を一定電圧に変換する直流電圧変換器104、燃料電池101が作動温度に達するまで燃料電池101及び直流電圧変換器104の接続を切断し、燃料電池101が作動温度に達した後、燃料電池101及び直流電圧変換器104を接続する第1のスイッチ71、少なくとも燃料電池101が作動温度に達するまで、燃料電池101から直流電流を引き出す直流電子負荷装置102、少なくとも燃料電池101が作動温度に達するまで、電圧計51で測定された電圧と同じ電圧で直流電圧変換器104に直流電流を供給する可変直流電源103を備える。【選択図】図1
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流電流を流す燃料電池と、
前記燃料電池の電圧を測定する電圧計と、
前記燃料電池に接続され、加えられた電圧を一定電圧に変換する直流電圧変換器と、
前記燃料電池が作動温度に達するまで前記燃料電池及び前記直流電圧変換器の接続を切断し、前記燃料電池が作動温度に達した後、前記燃料電池及び前記直流電圧変換器を接続する第１のスイッチと、
少なくとも前記燃料電池が作動温度に達するまで、前記燃料電池から前記直流電流を引き出す直流電子負荷装置と、
少なくとも前記燃料電池が作動温度に達するまで、前記電圧計で測定された電圧と同じ電圧で前記直流電圧変換器に直流電流を供給する可変直流電源
とを備えることを特徴とする発電システム。
【請求項２】
前記直流電圧変換器から流れる直流電流を交流電流に変換するインバータを更に備えることを特徴とする請求項１に記載の発電システム。
【請求項３】
前記直流電圧変換器から前記燃料電池への逆電流を防止する第１の逆電流防止機構を更に備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の発電システム。
【請求項４】
前記直流電圧変換器から前記可変直流電源への逆電流を防止する第２の逆電流防止機構を更に備えることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の発電システム。
【請求項５】
少なくとも前記燃料電池が作動温度に達するまで、前記燃料電池及び前記直流電子負荷装置を接続する第２のスイッチを更に備えることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の発電システム。
【請求項６】
少なくとも前記燃料電池が作動温度に達するまで、前記可変直流電源及び前記直流電圧変換器を接続する第３のスイッチを更に備えることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の発電システム。
【請求項７】
前記第１の逆電流防止機構と並列に接続され、前記燃料電池が作動温度に達した後、前記燃料電池及び前記直流電圧変換器を接続する短絡スイッチを更に備えることを特徴とする請求項３に記載の発電システム。
【請求項８】
前記可変直流電源が、前記燃料電池から前記直流電子負荷装置が引き出した前記直流電流で充電される充電池を備えることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の発電システム。
【請求項９】
前記燃料電池及び前記直流電圧変換器の間に並列に配置されたコンデンサを更に備えることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の発電システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は燃料電池技術に関し、特に発電システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は有害物質を発しないため、従来から注目を集めている。特に固体酸化物型燃料電池(SOFC: Solid Oxide Fuel Cell)は、高分子電解質型燃料電池と比較して高温で動作するため、温度エネルギーをも活用できるという利点がある。固体酸化物型燃料電池は、それぞれ直流発電する複数の単セルからなる積層構造を有する。複数の単セルのそれぞれは、酸化物イオン導電体からなる固体電解質層と、固体電解質層を挟み込む空気極層及び燃料極層を有する。空気極層側には酸素(O2)等の酸化剤ガスが供給され、燃料極層側には水素(H2)、一酸化炭素(CO)、及びメタン(CH4)等の燃料ガスが供給される。空気極層側に供給された酸化剤ガスは、空気極層内の気孔を経て固体電解質層との境界面近傍で電子を受け取ってイオン化され、酸化物イオンになる。酸化物イオンは固体電解質層内を拡散しながら移動し、燃料極層との界面近傍で燃料ガスと反応して電子を放出する。
【０００３】
固体酸化物型燃料電池の作動温度は、一般的に900℃である。固体酸化物型燃料電池を立ち上げる時には、固体酸化物型燃料電池をまず600℃まで加熱する。その後、固体酸化物型燃料電池から20乃至50mAの直流電流を繰り返し引き出し、固体酸化物型燃料電池を900℃の作動温度まで発熱させる（例えば、特許文献1, 2参照。）。しかし、固体酸化物型燃料電池を600℃から900℃まで上昇させるために要する時間は10時間以上にわたる。また固体酸化物型燃料電池が大型化すると、作動温度に達する時間はさらに長期化する。そのため作動温度に達するまでは、電力の供給を求める外部の負荷には固体酸化物型燃料電池を接続せず、直流電流を引き出し固体酸化物型燃料電池を加熱するための専用の負荷に接続する措置がとられている。しかし、作動温度に達した後、加熱用の負荷から外部の負荷に接続を切り替えると、固体酸化物型燃料電池から引き出される直流電流が突発的に上昇し、固体酸化物型燃料電池に負担がかかることがあった。
【特許文献１】特開平10-284104号公報
【特許文献２】特開2002-315224号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明は、安定稼働が可能な発電システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の特徴は、（イ）直流電流を流す燃料電池と、（ロ）燃料電池の電圧を測定する電圧計と、（ハ）燃料電池に接続され、加えられた電圧を一定電圧に変換する直流電圧変換器と、（ニ）燃料電池が作動温度に達するまで燃料電池及び直流電圧変換器の接続を切断し、燃料電池が作動温度に達した後、燃料電池及び直流電圧変換器を接続する第1のスイッチと、（ホ）少なくとも燃料電池が作動温度に達するまで、燃料電池から直流電流を引き出す直流電子負荷装置と、（ヘ）少なくとも燃料電池が作動温度に達するまで、電圧計で測定された電圧と同じ電圧で直流電圧変換器に直流電流を供給する可変直流電源とを備える発電システムであることを要旨とする。
【発明の効果】
【０００６】
本発明によれば、安定稼働が可能な発電システムを提供可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
以下に本発明の実施の形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号で表している。但し、図面は模式的なものである。したがって、具体的な寸法等は以下の説明を照らし合わせて判断するべきものである。また、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることは勿論である。
【０００８】
（第1の実施の形態）
第1の実施の形態に係る発電システムは、図1に示すように、直流電流を流す燃料電池101、燃料電池101の電圧を測定する第1の電圧計51、燃料電池101に接続され、加えられた電圧を一定電圧に変換する直流電圧変換器104、及び燃料電池101が作動温度に達するまで燃料電池101及び直流電圧変換器104の接続を切断し、燃料電池101が作動温度に達した後、燃料電池101及び直流電圧変換器104を接続する第1のスイッチ71を備える。さらに第1の実施の形態に係る発電システムは、少なくとも燃料電池101が作動温度に達するまで、燃料電池101から直流電流を引き出す直流電子負荷装置102、及び少なくとも燃料電池101が作動温度に達するまで、第1の電圧計51で測定された電圧と同じ電圧で直流電圧変換器104に直流電流を供給する可変直流電源103を備える。
【０００９】
固体酸化物型燃料電池等である燃料電池101には、加熱装置32が接続されている。加熱装置32は、燃料電池101を例えば600℃まで加熱する。燃料電池101は600℃まで加熱された後、例えば20乃至50mAの直流電流を繰り返し引き出されることにより発熱し、例えば900℃の作動温度に達する。作動温度に達した時の燃料電池101の電圧は、例えば60乃至160Vの間で変動する。一般的に固体酸化物型燃料電池等である燃料電池101は、引き出される電流が多くなるほど、電圧は低下する。さらに燃料電池101には、燃料電池101の温度を測定する温度計31が接続されている。また燃料電池101の正極111及び負極112を介して、第1の電圧計51が燃料電池101に並列に接続されている。
【００１０】
昇圧型DC-DCコンバータ等である直流電圧変換器104は、例えば燃料電池101から加えられた60乃至160Vの間で変動する直流電圧を、200Vの一定の直流電圧に変換する。インバータ105は、直流電圧変換器104から加えられた200Vの直流電圧を、例えば100Vの交流電圧に変換する。直流電圧変換器104及びインバータ105のそれぞれは、例えば可変直流電源103から供給される直流電流で充電されるコンデンサを備える。インバータ105には、交流負荷106が電気的に接続される。交流負荷106は、制御によりインバータ105から100Vの交流電圧を提供される。
【００１１】
第1のスイッチ71は、温度計31が測定する燃料電池101の温度が作動温度に達するまで、燃料電池101と直流電圧変換器104の電気的な接続を切断する。また第1のスイッチ71は、温度計31が測定する燃料電池101の温度が作動温度に達した後、燃料電池101と直流電圧変換器104を電気的に接続する。
【００１２】
第1のスイッチ71と直流電圧変換器104の間には、第1のダイオード61及び入力電流計54が直列に接続されている。第1のダイオード61は、直流電圧変換器104から燃料電池101に電流が逆流することを防止する第1の逆電流防止機構として機能する。入力電流計54は、直流電圧変換器104に流れる電流の強さを測定する。また第1のダイオード61と並列に、短絡スイッチ74が接続されている。短絡スイッチ74がオンになると、電流は第1のダイオード61を迂回する配線経路を流れるため、第1のダイオード61での電圧降下がなくなる。
【００１３】
直流電子負荷装置102は、正極111及び負極112を介して燃料電池101に並列に接続されている。温度計31が計測する燃料電池101の温度が600℃に達した後、直流電子負荷装置102は燃料電池101から例えば20乃至50mAの直流電流を繰り返し引き出す。燃料電池101と直流電子負荷装置102の間には、第2のスイッチ72及び出力電流計52が直列に接続されている。第2のスイッチ72は、少なくとも温度計31が測定する燃料電池101の温度が600℃より高くなり、900℃の作動温度に達するまでの間、燃料電池101と直流電子負荷装置102を電気的に接続する。出力電流計52は、燃料電池101から直流電子負荷装置102に流れる電流の強さを測定する。
【００１４】
可変直流電源103は、燃料電池101及び直流電子負荷装置102と並列に接続されており、かつ第1のスイッチ71と直列に接続されている。また正極113及び負極114を介して、可変直流電源103に並列に第2の電圧計53が接続されている。第2の電圧計53は、可変直流電源103の電圧を測定する。可変直流電源103と直流電圧変換器104の間には、第2のダイオード62及び第3のスイッチ73が直列に接続されている。第2のダイオード62は、直流電圧変換器104から可変直流電源103に電流が逆流することを防止する第2の逆電流防止機構として機能する。第3のスイッチ73は、少なくとも温度計31が計測する燃料電池101の温度が600℃より高くなり、900℃の作動温度に達するまでの間、可変直流電源103と直流電子負荷装置102を電気的に接続する。
【００１５】
次に図2乃至図6を参照して、第1の実施の形態に係る発電システムの稼働方法を説明する。
【００１６】
(a) まず図2に示す加熱装置32で燃料電池101を600℃まで加熱する。この時、温度計31で測定される燃料電池101の温度は、900℃の作動温度に達していない。そのため第1のスイッチ71及び短絡スイッチ74がオフになり、第2のスイッチ72及び第3のスイッチ73がオンになる。次に温度計31で計測される燃料電池101の温度が600℃に達すると、直流電子負荷装置102が燃料電池101から直流電流を引き出し、燃料電池101を発熱させる。また直流電子負荷装置102が直流電流の引き出しを開始するのと同時に、可変直流電源103は、第1の電圧計51で計測される燃料電池101の電圧と同じ電圧で、直流電圧変換器104に直流電流を供給し始める。そのため直流電圧変換器104及びインバータ105が起動し、直流電圧変換器104及びインバータ105のそれぞれが備えるコンデンサが充電され、直流電圧変換器104及びインバータ105にアイドル電流が流れる。
【００１７】
(b) 温度計31で測定される燃料電池101の温度が900℃の作動温度に達すると、図3に示すように、第1のスイッチ71がオンになる。この時点で直流電圧変換器104及びインバータ105のそれぞれが備えるコンデンサは充電されているため、コンデンサに突入電流が流れ込まない。したがって燃料電池101から過大な直流電流が引き出されるような事態は生じず、燃料電池101を直流電圧変換器104に接続することによって、燃料電池101に電気的なショックが加わることはない。交流負荷106の交流負荷が増大すると、燃料電池101は発電量を増加し、交流負荷106に必要な交流電流を供給する。
【００１８】
(c) 温度計31で測定される燃料電池101の温度が900℃の作動温度に達した後、状況に応じて直流電子負荷装置102は燃料電池101から引き出す直流電流を漸次減らし、図4に示すように第2のスイッチ72はオフになる。第2のスイッチ72がオフになることによって、直流電子負荷装置102の燃料電池101を起動させる機能が終了する。また燃料電池101のみで交流負荷106に必要な交流電流を提供できる場合は、図5に示すように第3のスイッチ73がオフになる。また第1のダイオード61での電圧降下が問題になる場合は、図6に示すように短絡スイッチ74がオンになる。
【００１９】
以上示したように、第1の実施の形態に係る発電システムによれば、燃料電池101を直流電圧変換器104に接続する前に、燃料電池101の電圧を同じ電圧で、可変直流電源103から直流電圧変換器104に直流電流が供給される。そのため、燃料電池101を直流電圧変換器104に接続しても、直流電圧変換器104等に突発電流が生じず、燃料電池101に負担がかからない。したがって第1の実施の形態に係る発電システムは、安定稼働が可能である。なお作動温度が900℃である例を示したが、作動温度が異なっても第1の実施の形態は適用可能であることは言うまでもない。
【００２０】
（第2の実施の形態）
第2の実施の形態に係る可変直流電源103は、図7に示すように、充電池151を備える。充電池151は、少なくとも燃料電池101が作動温度に達するまで、直流電子負荷装置102が燃料電池101から引き出した直流電流によって充電される。また交流負荷106に対して燃料電池101が過剰発電している際に、直流電子負荷装置102が燃料電池101から引き出した直流電流によっても充電される。可変直流電源103は、充電池151に保存された電気を用いて、直流電圧変換器104に直流電流を供給する。そのため、第2の実施の形態に係る発電システムにおいては、直流電子負荷装置102が燃料電池101から引き出した直流電流を有効に活用することが可能である。第2の実施の形態に係る発電システムのその他の構成要素は、第1の実施の形態と同様であるので、説明は省略する。
【００２１】
（その他の実施の形態）
上記のように本発明を実施の形態によって記載したが、この開示の一部をなす記述及び図面はこの発明を限定するものであると理解するべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例及び運用技術が明らかになるはずである。例えば図8に示すように、燃料電池101と直流電圧変換器104の間に並列に、例えば第1のダイオード61のカソードと各出力段の負極（コモン）にコンデンサ81を並列に接続することによって、突発電流の発生をさらに防止することも可能である。また図1乃至図8に示した燃料電池101、温度計31、加熱装置32、直流電子負荷装置102、可変直流電源103、直流電圧変換器104、インバータ105、第1乃至第3のスイッチ71〜73、及び短絡スイッチ74はコンピュータネットワーク等で接続され、中央演算処理装置(CPU)等で制御されてもよい。さらに直流電圧変換器104にインバータ105を接続せず、直流電子負荷装置を接続してもよい。この様に、本発明はここでは記載していない様々な実施の形態等を包含するということを理解すべきである。したがって、本発明はこの開示から妥当な特許請求の範囲の発明特定事項によってのみ限定されるものである。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る発電システムの模式図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態に係る発電システムの稼働方法を示す第１の模式図である。
【図３】本発明の第１の実施の形態に係る発電システムの稼働方法を示す第２の模式図である。
【図４】本発明の第１の実施の形態に係る発電システムの稼働方法を示す第３の模式図である。
【図５】本発明の第１の実施の形態に係る発電システムの稼働方法を示す第４の模式図である。
【図６】本発明の第１の実施の形態に係る発電システムの稼働方法を示す第５の模式図である。
【図７】本発明の第２の実施の形態に係る発電システムの模式図である。
【図８】本発明のその他の実施の形態に係る発電システムの模式図である。
【符号の説明】
【００２３】
31…温度計
32…加熱装置
51…第1の電圧計
52…出力電流計
53…第2の電圧計
54…入力電流計
61…第1のダイオード
62…第2のダイオード
71…第1のスイッチ
72…第2のスイッチ
73…第3のスイッチ
74…短絡スイッチ
81…コンデンサ
101…燃料電池
102…直流電子負荷装置
103…可変直流電源
104…直流電圧変換器
105…インバータ
106…交流負荷
111, 113…正極
112, 114…負極
151…充電池
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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