[发明专利]燃料电池系统的控制装置和控制方法

说明书

本发明公开了燃料电池系统的控制装置和控制方法。所述控制装置包括：多个堆状态感测部，其分别感测多个燃料电池堆的状态；转换部，其将所述多个燃料电池堆中的至少一部分进行串联或并联连接；以及控制部，其基于由所述多个堆状态感测部感测到的堆状态来感测至少一个劣化堆，并控制所述转换部的操作来形成至少一个包括感测到的至少一个劣化堆的劣化堆部。能够不使用多个电力调节系统，而利用廉价的电气开关来在工作期间快速容易地将各堆以串联、并联或串并联连接，防止各堆之间由于性能降低引起的劣化波及，从而提高整个燃料电池系统的耐久性，防止容量降低，使寿命缩短最小化，对劣化堆和正常堆进行再排列来使用，从而能够有效地使用燃料电池堆。

技术领域

本发明涉及燃料电池系统，特别地涉及包括多个燃料电池的燃料电池系统的控制装置和控制方法。

背景技术

在数十千瓦(KW)至数兆瓦(MW)的中大型发电用固体氧化物燃料电池(SOFC：SolidOxide Fuel Cell)系统中，连接多个小容量燃料电池堆(stack)来获得大容量。燃料电池堆是指为了获得期望电力输出而将数十至数百张的单位燃料电池叠层连接的构造。

在连接燃料电池堆时仅以串联电气连接的情况下，具有如下缺点：如果一个堆发生问题而停机(shut down)，则电气连接断开，从而整个燃料电池系统停机。因此，一般将各堆以串联和并联混合地进行电气连接来构成燃料电池系统。

然而，在将各堆并联连接的情况下，如果连接的多个堆中的一部分堆发生劣化，该影响会波及到其他正常堆，不仅整个燃料电池系统的耐久性会加速降低，而且容量也降低，从而缩短寿命。

图1(a)是用于说明在燃料电池堆并联连接的情况下各个堆之间的劣化波及影响的示意图，图1(b)是用于说明在燃料电池堆并联连接的情况下各个堆之间的劣化波及影响的堆电压与堆电流的曲线图。

如图1(a)和图1(b)所示，如果在各燃料电池堆以并联电气连接的燃料电池系统中一个堆劣化([2]一个劣化)，则劣化堆的内部阻抗增加从而发生电流相对集中于正常堆的现象。即，在并联连接的堆中的较快劣化的堆中，由于内部阻抗的增加，流过的电流减小，在其他正常堆中，流过的电流大于正常运转时的电流。即，电流相对集中于正常堆，导致电流不均衡。尽管劣化堆中流过的电流减小，但电流相对集中于正常堆，劣化波及到正常堆([3]一次波及)。

此外，在劣化堆中，由于发热反应减小，温度降低，阻抗会进一步增大，电流相对集中于正常堆的现象变得更严重，对于正常堆的劣化波及影响变得更大，因而劣化堆和正常堆的劣化均加速([4]二次波及)。

图1(c)是示出在燃料电池系统中堆的劣化加速时劣化堆的劣化波及到其他正常堆的示意图，图1(d)是将在燃料电池系统中堆的劣化加速时包括劣化堆的燃料电池系统的寿命与正常燃料电池系统的寿命进行比较的曲线图。

参照图1(c)和图1(d)，在燃料电池系统内连接的多个堆中一部分堆发生劣化从而劣化加速的情况下，劣化堆的劣化波及到其他正常堆，从而整个燃料电池系统的耐久性和容量降低并且寿命缩短。

防止劣化堆对正常堆产生影响的最容易的方法是独立地控制燃料电池系统内所有堆的电流和电压等。然而，为了独立控制所有堆的电流和电压等，不仅系统构造会变得复杂，费用的增加也不可避免。特别地，由于中大型发电用SOFC系统由多个堆构成，因而存在使针对每个堆配置一个电力调节系统(PCS：Power Conditioning System)商业化变得很困难的问题。

下述的现有技术文献中记载的专利文献1涉及具有旁路电路的燃料电池系统及其驱动方法。参照专利文献1的图2，专利文献1的发明包括旁路电路300和转换电路250-254，其在存在不良堆的情况下利用转换电路来将不良堆旁路，从而防止不良堆对正常堆产生影响。

然而，专利文献1的发明仅公开了旁路不良堆，并没有公开将劣化堆再排列来使用劣化堆。