【０００１】
【発明の属する技術分野】
燃料電池を用いて発電を行う燃料電池システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
以下に、従来の燃料電池システムについて説明する。
【０００３】
図５に示すように、従来の燃料電池システムは、燃料ガスと酸化剤を用いて発電を行う燃料電池１と、水素を供給する燃料供給手段１３と、空気を供給する送風機１４と、燃料電池１が出力する直流電力の電圧を昇圧する昇圧手段２と昇圧手段２により昇圧された直流電力を交流に変換する直交変換手段３と、燃料電池システムが出力する電力を設定する電力設定手段４からなる。
【０００４】
昇圧手段２は燃料電池１が出力する直流電圧を約３００Ｖ程度まで昇圧する。そして、直交変換手段３は約３００Ｖ程度の直流電力をＰＷＭ制御により交流変換し実効値２００Ｖの交流電力を出力する。電力設定手段４は負荷電力に応じて燃料電池システムが出力する電力を設定する。
【０００５】
昇圧手段２が出力する電圧は、燃料電池システムが出力する交流電力の電圧実効値のルート２倍の電圧が必要になるため、昇圧手段２が出力する電圧は、燃料電池システムが出力する交流電力の電圧値によって決まる。
【０００６】
このような燃料電池システムにおいて、燃料電池１の出力電圧が低下した場合の運転方法として、燃料電池１の電圧が予め定められた保護電圧以下になった場合には、出力電力を抑制する方法が用いられていた（例えば、特許文献１参照）。
【０００７】
上記保護電圧は、通常燃料電池が劣化する前の使用初期の段階の平均出力電圧に対して数％低下した電圧値というように設定を行っていた。
【０００８】
【特許文献１】
特開昭６０−３００６２号公報
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来例の燃料電池システムにおいては、燃料電池１が元図６に示すＩ−Ｖ特性の太線Ａのような特性だったものが、経時劣化で破線Ｂのような特性になってしまった場合や、燃料の供給が一時的に減少してしまい、一時的に特性が破線Ｃのようになってしまった場合に、燃料電池１の出力電圧が保護電圧以下になってしまうと燃料電池システムの出力は制限される。その保護電圧の設定値は、あまり高すぎると頻繁に燃料電池システムの出力は制限されることになるし、逆に低すぎると燃料電池１から過剰に燃料電池から電力を取り出す過負荷の状態になり、燃料電池の転極が起こり、電池の発電部が劣化してしまう可能性があった。また、燃料電池の経時劣化に応じて保護電圧の最適設定値は経時的に変化することも考えられ、保護電圧の設定は非常に難しい問題となる。
【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、第１の本発明の燃料電池システムは、燃料と酸化剤とから電力を発生させる燃料電池と、前記燃料電池の出力する直流電力の電圧を所定の値以上に昇圧する電圧昇圧手段と、昇圧された直流電力を交流電力に変換する直交変換手段と、前記燃料電池の発電電力を決定する発電電力指令手段とを備え、前記発電電力指令手段は、前記電圧昇圧手段により昇圧された電圧が所定範囲内であるときには発電電力を変更することを特徴とする。これにより昇圧後の直流電圧をある一定値以上に保ち、交流電力の電圧を維持することにより、電池の保護電圧を設定することなく燃料電池の出力電圧低下時の保護動作が可能である。
【００１１】
第２の本発明の燃料電池システムは、燃料と酸化剤とから電力を発生させる燃料電池と、前記燃料電池の出力する直流電力の電圧を所定の値以上に昇圧する電圧昇圧手段と、昇圧された直流電力を交流電力に変換する直交変換手段と、前記燃料電池の発電電力を決定する発電電力指令手段とを備え、前記前記電圧昇圧手段により昇圧された電圧が所定値よりも小さくなったときには電力出力を断つことを特徴とする。これにより、燃料電池システムが交流出力を維持できなくなったと判断して電池の保護電圧を設定することなく燃料電池の出力電圧低下時の保護停止動作が可能である。
【００１２】
第３の本発明の燃料電池システムは、燃料と酸化剤とから電力を発生させる燃料電池と、燃料電池の発電する電力の上限値を設定する電力制限手段と、燃料電池の直流電力を交流電力に変換する直交変換手段とを備え、前記発電電力指令手段は、設定する電力値を上限として燃料電池の発電電力が最大になるように制御することを特徴とする。これにより、直交変換手段は燃料電池の状態に応じて常に発電可能な最大限の電力のみを出力するので、電池の保護電圧の設定が不要で、随時最大限の電力を出力することが可能になる。
【００１３】
第４の本発明の燃料電池システムは、燃料と酸化剤とから電力を発生させる燃料電池と、燃料電池から出力する直流電流の上限値を決定する直流電流制限手段と、燃料電池の直流電力を交流電力に変換する直交変換手段とを備え、前記発電電力指令手段が所定の電流値を超えない範囲で燃料電池の発電電力を最大限になるように設定することを特徴とする。これにより、燃料電池の状態に応じて常に発電可能な最大限の電力のみを出力するので、電池の保護電圧の設定が不要で、随時最大限の電力を出力することが可能になる。
【００１４】
第５の本発明の燃料電池システムは、第３，４の本発明の燃料電池システムにおいて、発電電力が最大限になる交流電力を前記直交変換手段が探索する場合には、電流値が小さい方向から探索する。これにより、探索作業により燃料電池が出力可能な直流電流以上の電流を設定することがない。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
【００１６】
（実施の形態１）
図１は本発明の第１の実施の形態における燃料電池システムの構成図である。従来例と同じ構成要素には同じ番号を付与している。
【００１７】
本実施の形態における燃料電池システムは、燃料としての水素と酸化剤としての空気を用いて発電を行う燃料電池１と、水素を供給する燃料供給手段１３と、空気を供給する送風機１４と、燃料電池１が出力する直流電力の電圧を昇圧する昇圧手段２と昇圧手段２により昇圧された直流電力を交流電力に変換する直交変換手段３と、昇圧手段２が出力する直流電力の電圧値を検知する昇圧電圧検知手段５と、燃料電池システムが出力する電力を設定する本発明の発電電力指令手段である電力設定手段６と、負荷電力を検知する負荷検知手段７からなる。ここで、本発明の電圧昇圧手段である昇圧手段２により昇圧後の電圧値と要求される所定の値は、系統連携の電圧実効値から要求される昇圧後の直流電流の電圧値であるが、一例として以下のようにして決定される。
【００１８】
直交変換手段３の交流電力出力端は、２００Ｖの電力系統に接続されており、その間に交流電力を消費する電力負荷が分岐されて接続されている、いわゆる系統連系接続がなされている。
【００１９】
直交変換手段３にて、実効値２００Ｖの交流電力を出力するためには、直交変換手段３に入力される直流電圧は理論的に約２８３Ｖ程度が必要であるが、回路の損失などを考えると最低でも３００Ｖ程度が必要であり、さらに、系統の電圧の揺れを考えると３１０〜３２０Ｖ以上を確保することが望ましい。そこで、昇圧手段２は燃料電池１が出力する直流電圧を昇圧し、昇圧後の直流電圧が３２０Ｖ一定になるように動作する。
【００２０】
そして、直交変換手段３は３２０Ｖの直流電力をＰＷＭ制御により交流変換し実効値２００〜２１０Ｖの交流電力を出力する。
【００２１】
昇圧手段２は入力電圧を昇圧する機能を持つが、その昇圧能力には限界がある。
【００２２】
燃料電池１の性能劣化や燃料電池へ供給する水素、もしくは、空気の量が何らかの原因で減少するなど、燃料電池１の出力する電圧が著しく低下した場合には、昇圧手段２の出力する電圧も低下してしまう。
【００２３】
図３の太線は水素及び空気を一定量供給した時の燃料電池１の電圧と電流の関係を示しており、細線はそのときの電流と電力の関係を示している。この図が示すように水素及び空気の供給量一定の条件下で、燃料電池１から取り出す電力を小さくしていくと燃料電池１の電圧は、増加する。
【００２４】
この特性を利用して、電力設定手段６は、以下の様な操作を行う。
【００２５】
まず、電力設定手段６は昇圧電圧検知手段５によって検知される直交変換手段３に入力される電圧が３１０Ｖ以上であれば、負荷検知手段７によって検知された負荷電力と同じ電力を出力するように直交変換手段３を設定する。
【００２６】
また、電力設定手段６は昇圧電圧検知手段５によって検知される直交変換手段３に入力される電圧が３１０Ｖ未満の場合には、出力電力を減少させるように直交変換手段３を設定する。減少させる方法としては、例えば、現在の出力電力の１％ずつ電力を低下することが考えられる。これは、図３に示すように電力を減少させると電圧が上昇し、３１０Ｖ以上を確保することが可能となるからである。ここで、上記３１０Ｖの電圧値が、本発明の発電電力指令手段により、電力値の変更（低下）が必要となる第１の所定電圧値の一例であり、この所定値は、上記の値（３１０Ｖ）に限定されるものでなく、系統連携の電圧実効値により変化するだけなく、直交変換手段３の能力、回路損失及び系統電圧の揺れの程度によっても変動する。
【００２７】
さらに、電力設定手段６は昇圧電圧検知手段５によって検知される直交変換手段３に入力される電圧が３００Ｖ未満の場合には、直交変換手段３から出力される交流実効電圧値が２００Ｖを下回り、系統から直交変換手段３への電流が流入することにより直交変換手段３が故障することを防ぐため、電力出力を断つように直交変換手段３を設定する。ここで、上記３００Ｖが、本発明の発電電力指令手段により、電力出力を断つ第２の所定電圧値の一例であるが、この第２の所定値は、上述の第１の所定電圧値と同様に、系統連携の電圧実効値により変化するだけなく、直交変換手段３の能力、回路損失及び系統電圧の揺れの程度によっても変動し、３００Ｖに限定されるものではない。
【００２８】
なお、上記第２の所定値は、系統連携でなく独立電源の場合は、系統からの直交変換手段への電流の流入もないため、別の要因により決定される。例えば、燃料供給手段１３が、都市ガス、メタンなどを改質して水素を生成する改質器を有する装置で、未消費水素が、改質器を加熱する燃焼器に燃焼ガスとして供給される場合には、出力電力を低下させて電圧を３１０Ｖ以上にしようとすると、出力電力（出力電流）を相当量低下させるため、バーナに供給される未消費水素量が著しく増加し、改質器の温度制御が困難となる。このため、第２の所定値は、改質器の温度制御の点からバーナに対して許容可能なオフガス中の水素供給量から水素利用率（出力電力）を逆算し決定される。
【００２９】
また、燃料電池の独立電源の場合、上記に限らず第２の所定値は、負荷の許容交流電圧実効値からも決定され得る。
【００３０】
以上のように、本実施形態の燃料電池システムの運転において、昇圧手段２の出力電圧が安定的に電力を出力するのに必要な３１０Ｖ以上を確保することが可能な場合には、負荷検知手段７によって検知された負荷電力と同じ電力を出力し、３１０Ｖを確保できなくとも燃料電池１の出力電力を低下させることにより燃料電池１の電圧を上昇させ、再び昇圧手段２の出力電圧を３１０Ｖまで安定運転を継続させる。また、昇圧後の電力が３００Ｖ以上を確保できない場合には、電力出力を断つように直交変換手段３を設定する。
【００３１】
これにより、燃料電池１の保護電圧設定なしで、燃料電池１の電圧が、図６に示すような経時劣化（破線Ｂ）や燃料供給の一時的減少（破線Ｃ）で低下しても過剰に燃料電池から電力を取り出すことを防ぐことができるので、燃料電池１の経時劣化にも十分対応した安定した燃料電池システムの運転が実現できる。また、水素や空気の供給量が一時的に減ってしまった場合にも、出来る限り燃料電池システムの運転を継続することが出来る。
【００３２】
（実施の形態２）
図２は本発明の第２の実施の形態における燃料電池システムの構成図である。従来例もしくは本発明の第１の実施の形態と同じ構成要素には同じ番号を付与している。
【００３３】
本実施の形態における燃料電池システムは、燃料としての水素と酸化剤としての空気を用いて発電を行う燃料電池１と、水素を供給する燃料供給手段１３と、空気を供給する送風機１４と、直流電力を交流電力に変換する直交変換手段３と、燃料電池１の直流出力電力を検知する電力検知手段８と、燃料電池システムが出力する電力を設定する本発明の発電電力指令手段である電力設定手段９と、負荷電力を検知する負荷検知手段７からなる。
【００３４】
直交変換手段３の交流電力出力端は、２００Ｖの電力系統に接続されており、その間に交流電力を消費する電力負荷が分岐されて接続されている、いわゆる系統連系接続がなされている。
【００３５】
ここで、電力設定手段９が出力電力を設定する方法を図３を用いて説明する。図３の太線は水素、空気を一定量供給した時の燃料電池１の電圧と電流の関係を示しており、細線はそのときの電流と電力の関係を示している。この条件下で、燃料電池１から取り出す電流を大きくしていくと電力も同様に上昇していく。そして、供給されている水素もしくは空気の量で発電可能な電力量（Ｗｍａｘ）を超えると、過負荷の状態になり、燃料電池１の電圧、電力共に急激に低下する。
【００３６】
この特性をもとに、電力設定手段９は燃料電池１から取り出す電力を小さいほうから少しずつ増加させていき、電力が低下した場合には、即座に取り出す電力を減少させ、その後再び電力を増加させる。ただし、取り出す電力を増加させる過程で、逐次、負荷検知手段７が検知した負荷電力と直交変換手段３の出力端の電力を比較し、直交変換手段３の出力端の電力が負荷検知手段７が検知した負荷電力と同等になった場合には、取り出す電力の増加を停止する。この付加検知手段が検知する負荷電力が、本発明の上限として設定される所定の電力値となる。
【００３７】
以上のように、燃料電池システムの運転において、検知した負荷電力を上限として燃料電池の発電電力が最大になるようにすることにより、負荷に必要とされる量以上の電力を発電しないと共に、燃料電池１の保護電圧設定なしで、燃料電池１の電圧が図６に示すような経時劣化（破線Ｂ）や燃料供給の一時的減少（破線Ｃ）で低下しても過剰に燃料電池から電力を取り出すことを防ぐことができるので、燃料電池１の経時劣化にも十分対応した安定した燃料電池システムの運転が実現できる。また、水素や空気の供給量が一時的に減ってしまった場合にも、出来る限り燃料電池システムの運転を継続することが出来る。
【００３８】
（実施の形態３）
図４は本発明の第３の実施の形態における燃料電池システムの構成図である。従来例もしくは本発明の第３の実施の形態と同じ構成要素には同じ番号を付与している。
【００３９】
本実施の形態における燃料電池システムは、燃料ガスと酸化剤としての空気を用いて発電を行う燃料電池１と、直流電力を交流電力に変換する直交変換手段３と、燃料電池１が出力する直流電力の電圧の値を検知する電圧検知手段１０と、電流の値を検知する電流検知手段１１と、燃料電池システムが出力する電力を設定する本発明の発電電力指令手段である電力設定手段１２と、都市ガス、水などの発電原料から水素に富んだ燃料ガスを生成し燃料電池１へ供給する燃料供給手段１３と、空気を燃料電池１に供給する送風機１４からなる。燃料供給手段１３は燃料ガス供給量を検知する機能も併せ持ち、送風機１４は空気の供給量を検知する機能も併せ持つ。
【００４０】
直交変換手段３の交流電力出力端は、２００Ｖの電力系統に接続されており、その間に交流電力を消費する電力負荷が分岐されて接続されている、いわゆる系統連系接続がなされている。
【００４１】
電力設定手段１２は、燃料供給手段１３によって燃料電池１に供給される燃料ガスの供給量、送風機１４によって燃料電池１に供給される空気の量、及び水素及び空気のそれぞれの初期利用率から、現在、燃料電池システムが出力可能な電流上限値を決定する。この電流上限値が、本発明の所定の電流値となる。
【００４２】
そして、本発明の第２の実施の形態と同様に電力設定手段１２が、取り出す電力を増加させ、燃料電池１から取り出す電流の量を小さいほうから少しずつ増加させていき、燃料電池システムが出力する電力が低下した場合には、即座に取り出す電力を減少させ、その後再び電力を増加させる。ただし、取り出す電力を増加させる過程で、逐次、電流上限値と電流検知手段１１が検知する燃料電池１の電流値を比較し、電流検知手段１１が検知する燃料電池１の電流値が電流上限値と同等になった場合には、取り出す電力の増加を停止する。
【００４３】
以上のように、燃料電池システムの運転において、燃料電池１へ供給する燃料ガスおよび空気の量より電流上限値を設定し、燃料電池１の電流が電流上限値を超えない範囲で、燃料電池の発電電力を最大限になるようにすることにより、燃料電池１の保護電圧設定なしで、燃料電池１の電圧が低下しても過剰に燃料電池から電力を取り出すことを防ぐことができるので、燃料電池１の経時劣化にも十分対応した安定した燃料電池システムの運転が実現できる。また、水素や空気の供給量が一時的に減ってしまった場合にも、出来る限り燃料電池システムの運転を継続することが出来る。
【００４４】
なお、上記電流上限値の決定方法としては、水素及び空気のそれぞれの初期利用率を、直接用いて上限値を決定しても構わないし、安全性をより確実にするために初期利用率から数％利用率を減じた値を用いて電流上限値を決定しても構わない。
【００４５】
また、本発明の以上の実施の形態はいずれも２００Ｖ系統連系を行っているが、系統の電圧はこれに限るものではない。また、系統連系が行われていなくても、同様の効果が得られることは明白である。
【００４６】
【発明の効果】
以上説明したところから明らかなように、本発明は、燃料電池１の保護電圧設定なしで、燃料電池１の電圧が低下しても過剰に燃料電池から電力を取り出すことを防ぐことができるので、燃料電池１の経時劣化にも十分対応した安定した燃料電池システムの運転が実現できる。また、水素や空気の供給量が一時的に減ってしまった場合にも、出来る限り燃料電池システムの運転を継続することが出来るので、発電性能と耐久性を両立した燃料電池システムを実現することが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態における燃料電池システムを示す構成図
【図２】本発明の第２の実施の形態における燃料電池システムを示す構成図
【図３】本発明の第２の実施の形態における電力設定手段が出力電力を設定する方法を示す図
【図４】本発明の第３の実施の形態における燃料電池システムを示す構成図
【図５】従来の燃料電池システムを示す構成図
【図６】燃料電池のＩ−Ｖ特性図
【符号の説明】
１ 燃料電池
２ 昇圧手段
３ 直交変換手段
５ 昇圧電圧検知手段
６，９，１２ 電力設定手段
７ 負荷検知手段[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a fuel cell system that generates power using a fuel cell.
[0002]
[Prior art]
Hereinafter, a conventional fuel cell system will be described.
[0003]
As shown in FIG. 5, a conventional fuel cell system includes a fuel cell 1 that generates power using a fuel gas and an oxidant, a fuel supply unit 13 that supplies hydrogen, a blower 14 that supplies air, A boosting means 2 for boosting the voltage of the DC power output from the DC power generator 1, an orthogonal transforming means 3 for converting the DC power boosted by the boosting means 2 into AC, and a power setting means 4 for setting the power output by the fuel cell system. Become.
[0004]
The booster 2 boosts the DC voltage output from the fuel cell 1 to about 300V. Then, the orthogonal transform means 3 converts the DC power of about 300 V into an AC power by PWM control and outputs an AC power having an effective value of 200 V. The power setting means 4 sets the power output by the fuel cell system according to the load power.
[0005]
Since the voltage output from the boosting means 2 needs to be twice the root of the effective voltage value of the AC power output from the fuel cell system, the voltage output from the boosting means 2 is the AC power output from the fuel cell system. Is determined by the voltage value of
[0006]
In such a fuel cell system, as an operation method when the output voltage of the fuel cell 1 decreases, a method of suppressing the output power when the voltage of the fuel cell 1 becomes equal to or lower than a predetermined protection voltage. (For example, see Patent Document 1).
[0007]
The above-mentioned protection voltage is usually set to a voltage value that is several% lower than the average output voltage in the early stage of use before the fuel cell is deteriorated.
[0008]
[Patent Document 1]
JP-A-60-30062
[Problems to be solved by the invention]
However, in the above-described conventional fuel cell system, the fuel cell 1 has a characteristic like the thick line A of the IV characteristic shown in FIG. If the output voltage of the fuel cell 1 becomes lower than the protection voltage when the fuel supply temporarily decreases and the characteristic temporarily becomes as indicated by a broken line C, the fuel cell The output of the system is limited. If the set value of the protection voltage is too high, the output of the fuel cell system is frequently limited. On the other hand, if the set value is too low, an overload state in which the fuel cell 1 excessively extracts power from the fuel cell 1 will occur. In other words, the reversal of the fuel cell may occur, and the power generation unit of the battery may be deteriorated. Further, it is conceivable that the optimum set value of the protection voltage changes with time in accordance with the deterioration with time of the fuel cell, and setting of the protection voltage becomes a very difficult problem.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above-described problems, a fuel cell system according to a first aspect of the present invention includes a fuel cell that generates power from a fuel and an oxidant, and a voltage of DC power output from the fuel cell is increased to a predetermined value or more. Voltage boosting means, a quadrature conversion means for converting the boosted DC power into AC power, and a generated power command means for determining the generated power of the fuel cell, wherein the generated power command means comprises: When the voltage boosted by is within a predetermined range, the generated power is changed. As a result, by maintaining the boosted DC voltage at a certain value or more and maintaining the AC power voltage, a protection operation can be performed when the output voltage of the fuel cell drops without setting the protection voltage of the battery.
[0011]
A fuel cell system according to a second aspect of the present invention includes a fuel cell that generates power from a fuel and an oxidant, a voltage booster that boosts the voltage of DC power output from the fuel cell to a predetermined value or more, Orthogonal power conversion means for converting the DC power into AC power, and a generated power command means for determining the generated power of the fuel cell, when the voltage boosted by the voltage boosting means becomes smaller than a predetermined value. The power output is cut off. Accordingly, the protection stop operation can be performed when the output voltage of the fuel cell drops without determining that the fuel cell system cannot maintain the AC output and setting the protection voltage of the battery.
[0012]
A fuel cell system according to a third aspect of the present invention includes a fuel cell that generates electric power from a fuel and an oxidant, a power limiting unit that sets an upper limit of electric power generated by the fuel cell, Orthogonal power conversion means for converting the power to electric power, wherein the generated power command means controls the generated power of the fuel cell to be maximum with the set power value as an upper limit. Thereby, the orthogonal transform means always outputs only the maximum power that can be generated according to the state of the fuel cell, so that setting of the protection voltage of the battery is unnecessary, and the maximum power can be output at any time. Become.
[0013]
A fuel cell system according to a fourth aspect of the present invention includes a fuel cell that generates power from a fuel and an oxidant, a DC current limiter that determines an upper limit value of a DC current output from the fuel cell, and a DC power supply for the fuel cell. Orthogonal power conversion means for converting the power into AC power, wherein the generated power command means sets the generated power of the fuel cell to a maximum within a range not exceeding a predetermined current value. As a result, only the maximum power that can be generated is always output according to the state of the fuel cell. Therefore, it is not necessary to set the protection voltage of the battery, and it is possible to output the maximum power at any time.
[0014]
The fuel cell system according to a fifth aspect of the present invention is the fuel cell system according to the third or fourth aspect of the present invention, wherein the current value decreases in a case where the orthogonal transforming means searches for AC power that maximizes generated power. Search from. As a result, a current higher than the DC current that can be output by the fuel cell due to the search operation is not set.
[0015]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
[0016]
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a configuration diagram of the fuel cell system according to the first embodiment of the present invention. The same components as those in the conventional example are given the same numbers.
[0017]
The fuel cell system according to the present embodiment includes a fuel cell 1 that generates power using hydrogen as fuel and air as an oxidant, a fuel supply unit 13 that supplies hydrogen, a blower 14 that supplies air, Boosting means 2 for boosting the voltage of the DC power output from the battery 1; orthogonal transform means 3 for converting the DC power boosted by the boosting means 2 to AC power; and detecting the voltage value of the DC power output from the boosting means 2 A boost voltage detecting means 5, a power setting means 6 which is a generated power commanding means of the present invention for setting power output by the fuel cell system, and a load detecting means 7 for detecting load power. Here, the voltage value after the boosting by the voltage boosting means 2 as the voltage boosting means of the present invention and the required predetermined value are the voltage values of the DC current after the boosting required from the voltage effective value of the system cooperation. , As an example.
[0018]
The AC power output terminal of the orthogonal transform means 3 is connected to a 200 V power system, and a power load consuming the AC power is branched and connected therebetween, so-called grid connection.
[0019]
In order for the orthogonal transforming means 3 to output an AC power having an effective value of 200 V, the DC voltage input to the orthogonal transforming means 3 needs theoretically about 283 V, but considering the circuit loss and the like. A voltage of at least about 300 V is required, and it is desirable to secure a voltage of 310 to 320 V or more in consideration of fluctuations in system voltage. Therefore, the booster 2 boosts the DC voltage output from the fuel cell 1 and operates so that the DC voltage after boosting becomes constant at 320V.
[0020]
Then, the orthogonal conversion means 3 converts the 320 V DC power into an AC power by PWM control and outputs an AC power having an effective value of 200 to 210 V.
[0021]
Although the boosting means 2 has a function of boosting the input voltage, its boosting ability is limited.
[0022]
When the voltage output from the fuel cell 1 is significantly reduced, for example, due to performance degradation of the fuel cell 1 or the amount of hydrogen or air supplied to the fuel cell being reduced for some reason, the voltage output from the booster 2 is also reduced. Will drop.
[0023]
The thick line in FIG. 3 shows the relationship between the voltage and the current of the fuel cell 1 when a fixed amount of hydrogen and air are supplied, and the thin line shows the relationship between the current and the power at that time. As shown in this figure, the voltage of the fuel cell 1 increases as the electric power taken out of the fuel cell 1 is reduced under the condition that the supply amounts of hydrogen and air are constant.
[0024]
By utilizing this characteristic, the power setting means 6 performs the following operation.
[0025]
First, the power setting means 6 outputs the same power as the load power detected by the load detection means 7 if the voltage input to the orthogonal transformation means 3 detected by the boosted voltage detection means 5 is 310 V or more. The orthogonal transformation means 3 is set.
[0026]
When the voltage input to the orthogonal transform means 3 detected by the boosted voltage detecting means 5 is less than 310 V, the power setting means 6 sets the orthogonal transform means 3 to reduce the output power. As a method of reducing the power, for example, the power may be reduced by 1% of the current output power. This is because, as shown in FIG. 3, when the power is reduced, the voltage increases, and it is possible to secure 310 V or more. Here, the above-mentioned voltage value of 310 V is an example of a first predetermined voltage value at which the power value needs to be changed (decreased) by the generated power command means of the present invention, and this predetermined value is the above-mentioned value ( The voltage is not limited to 310 V) and varies not only with the effective voltage value of the system cooperation, but also with the capability of the orthogonal transform means 3, circuit loss, and the degree of fluctuation of the system voltage.
[0027]
Furthermore, when the voltage input to the orthogonal transform means 3 detected by the boosted voltage detecting means 5 is less than 300 V, the power setting means 6 reduces the AC effective voltage value output from the orthogonal transform means 3 to less than 200 V, In order to prevent the orthogonal transformer 3 from failing due to a current flowing from the system to the orthogonal transformer 3, the orthogonal transformer 3 is set so as to cut off the power output. Here, the above-mentioned 300 V is an example of a second predetermined voltage value at which the power output is cut off by the generated power command means of the present invention. The second predetermined voltage value is the same as the above-mentioned first predetermined voltage value. In addition, the voltage varies not only with the effective voltage value of the system cooperation but also with the capability of the orthogonal transform means 3, the circuit loss, and the degree of fluctuation of the system voltage, and is not limited to 300V.
[0028]
It should be noted that the second predetermined value is determined by another factor in the case of independent power supply instead of system coordination, since there is no inflow of current from the system to the orthogonal transform means. For example, the fuel supply unit 13 is a device having a reformer that reforms city gas, methane, etc. to generate hydrogen, and unconsumed hydrogen is supplied as a combustion gas to a combustor that heats the reformer. In this case, if the output power is lowered to increase the voltage to 310 V or more, the output power (output current) is considerably reduced, so that the amount of unconsumed hydrogen supplied to the burner significantly increases, and Temperature control becomes difficult. For this reason, the second predetermined value is determined by back-calculating the hydrogen utilization rate (output power) from the hydrogen supply amount in the off-gas that is allowable for the burner in terms of the temperature control of the reformer.
[0029]
In the case of the independent power supply of the fuel cell, the second predetermined value is not limited to the above, and the second predetermined value may be determined from the allowable AC voltage effective value of the load.
[0030]
As described above, in the operation of the fuel cell system according to the present embodiment, when the output voltage of the booster 2 can secure 310 V or more necessary for stably outputting power, the load detector 7, the same electric power as the load electric power detected by step 7 is output, and even if it is not possible to secure 310 V, the voltage of the fuel cell 1 is increased by lowering the output electric power of the fuel cell 1, and the output voltage of the booster 2 is again increased to 310V. Continue stable operation. When the power after boosting cannot be higher than 300 V, the orthogonal transform means 3 is set so as to cut off the power output.
[0031]
Thus, without setting the protection voltage of the fuel cell 1, the voltage of the fuel cell 1 is excessively reduced even if the voltage decreases due to aging (broken line B) or a temporary decrease in fuel supply (broken line C) as shown in FIG. 6. Since it is possible to prevent electric power from being taken out of the fuel cell, it is possible to realize a stable operation of the fuel cell system which sufficiently copes with the deterioration with time of the fuel cell 1. Further, even when the supply amounts of hydrogen and air are temporarily reduced, the operation of the fuel cell system can be continued as much as possible.
[0032]
(Embodiment 2)
FIG. 2 is a configuration diagram of a fuel cell system according to the second embodiment of the present invention. The same components as those in the conventional example or the first embodiment of the present invention are given the same numbers.
[0033]
The fuel cell system according to the present embodiment includes a fuel cell 1 that generates power using hydrogen as fuel and air as an oxidant, a fuel supply unit 13 that supplies hydrogen, a blower 14 that supplies air, Quadrature conversion means 3 for converting power into AC power, power detection means 8 for detecting DC output power of fuel cell 1, and power setting as power generation command means of the present invention for setting power output by the fuel cell system. And a load detecting means 7 for detecting the load power.
[0034]
The AC power output terminal of the orthogonal transform means 3 is connected to a 200 V power system, and a power load consuming the AC power is branched and connected therebetween, so-called grid connection.
[0035]
Here, a method of setting the output power by the power setting means 9 will be described with reference to FIG. The thick line in FIG. 3 shows the relationship between the voltage and the current of the fuel cell 1 when a fixed amount of hydrogen and air are supplied, and the thin line shows the relationship between the current and the power at that time. Under this condition, as the current taken out of the fuel cell 1 increases, the electric power also increases. When the amount of power (Wmax) that can be generated by the amount of supplied hydrogen or air is exceeded, an overload state occurs, and both the voltage and the power of the fuel cell 1 rapidly decrease.
[0036]
Based on this characteristic, the power setting means 9 gradually increases the power taken out of the fuel cell 1 from the smaller one, and when the power drops, immediately reduces the power taken out, and then increases the power again. Let it. However, in the process of increasing the power to be taken out, the load power detected by the load detecting means 7 and the power at the output terminal of the orthogonal transform means 3 are sequentially compared. When the load power becomes equal to the detected load power, the increase in the power to be taken out is stopped. The load power detected by the additional detection means is a predetermined power value set as the upper limit of the present invention.
[0037]
As described above, in the operation of the fuel cell system, by making the generated power of the fuel cell the maximum with the detected load power as the upper limit, the power generated by the fuel cell system is not generated more than the amount required for the load, and the fuel is not generated. Without setting the protection voltage of the battery 1, even if the voltage of the fuel cell 1 decreases over time (broken line B) or temporarily decreases the fuel supply (broken line C) as shown in FIG. Since it is possible to prevent the fuel cell 1 from being taken out, it is possible to realize a stable operation of the fuel cell system that sufficiently copes with the deterioration with time of the fuel cell 1. Further, even when the supply amounts of hydrogen and air are temporarily reduced, the operation of the fuel cell system can be continued as much as possible.
[0038]
(Embodiment 3)
FIG. 4 is a configuration diagram of a fuel cell system according to the third embodiment of the present invention. The same components as those in the conventional example or the third embodiment of the present invention are given the same numbers.
[0039]
The fuel cell system according to the present embodiment includes a fuel cell 1 that generates power using a fuel gas and air as an oxidant, an orthogonal conversion unit 3 that converts DC power into AC power, and a DC power output from the fuel cell 1. Voltage detecting means 10 for detecting the value of the voltage of the electric power, current detecting means 11 for detecting the value of the electric current, and power setting means 12 which is the generated electric power instruction means of the present invention for setting the electric power outputted by the fuel cell system. A fuel supply unit 13 that generates a fuel gas rich in hydrogen from power generation materials such as city gas and water and supplies the fuel gas to the fuel cell 1; and a blower 14 that supplies air to the fuel cell 1. The fuel supply means 13 also has a function of detecting the supply amount of fuel gas, and the blower 14 also has a function of detecting the supply amount of air.
[0040]
The AC power output terminal of the orthogonal transform means 3 is connected to a 200 V power system, and a power load consuming the AC power is branched and connected therebetween, so-called grid connection.
[0041]
The power setting unit 12 calculates the amount of fuel gas supplied to the fuel cell 1 by the fuel supply unit 13, the amount of air supplied to the fuel cell 1 by the blower 14, and the initial utilization rates of hydrogen and air. At present, the upper limit of the current that the fuel cell system can output is determined. This current upper limit value is the predetermined current value of the present invention.
[0042]
Then, as in the second embodiment of the present invention, the power setting means 12 increases the power to be taken out and gradually increases the amount of current taken out from the fuel cell 1 from the smaller one, and the fuel cell system outputs When the power to be used decreases, the power taken out is immediately reduced, and then the power is increased again. However, in the process of increasing the power to be taken out, the current upper limit value and the current value of the fuel cell 1 detected by the current detecting means 11 are sequentially compared, and the current value of the fuel cell 1 detected by the current detecting means 11 becomes the current upper limit value. When it becomes equal to, the increase in the power taken out is stopped.
[0043]
As described above, in the operation of the fuel cell system, the current upper limit is set based on the amounts of the fuel gas and air supplied to the fuel cell 1, and the current of the fuel cell 1 is set so that the current of the fuel cell 1 does not exceed the current upper limit. By maximizing the generated power, it is possible to prevent excessive power extraction from the fuel cell even when the voltage of the fuel cell 1 is reduced without setting the protection voltage of the fuel cell 1. A stable operation of the fuel cell system which can sufficiently cope with the aging of the battery 1 can be realized. Further, even when the supply amounts of hydrogen and air are temporarily reduced, the operation of the fuel cell system can be continued as much as possible.
[0044]
As a method of determining the current upper limit value, the upper limit value may be determined directly using the initial utilization rates of hydrogen and air, or a number from the initial utilization rate may be determined in order to further ensure safety. The current upper limit value may be determined using a value obtained by subtracting the% utilization rate.
[0045]
Further, in each of the above embodiments of the present invention, the 200 V grid connection is performed, but the voltage of the grid is not limited to this. It is clear that the same effect can be obtained even when the system interconnection is not performed.
[0046]
【The invention's effect】
As is apparent from the above description, the present invention can prevent excessive power extraction from the fuel cell even when the voltage of the fuel cell 1 decreases without setting the protection voltage of the fuel cell 1, A stable operation of the fuel cell system that can sufficiently cope with the aging of the fuel cell 1 can be realized. In addition, even if the supply of hydrogen or air is temporarily reduced, the operation of the fuel cell system can be continued as much as possible, thus realizing a fuel cell system that achieves both power generation performance and durability. Can be done.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a configuration diagram showing a fuel cell system according to a first embodiment of the present invention; FIG. 2 is a configuration diagram showing a fuel cell system according to a second embodiment of the present invention; FIG. FIG. 4 is a diagram illustrating a method of setting output power by power setting means according to the second embodiment. FIG. 4 is a configuration diagram illustrating a fuel cell system according to a third embodiment of the present invention. FIG. FIG. 6 is a diagram showing IV characteristics of a fuel cell.
REFERENCE SIGNS LIST 1 fuel cell 2 boosting means 3 orthogonal transform means 5 boosted voltage detecting means 6, 9, 12 power setting means 7 load detecting means
