JP2007157733A - 燃料電池電源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】負荷へ供給する電力の品質低下および燃料電池の特性低下を防ぐと共に、安定した電力供給が可能な燃料電池電源装置を提供する。
【解決手段】燃料電池１には直流−直流変換器６が接続されている。この直流−直流変換器６は、通常の運転状態で負荷が必要とする通常必要電力よりも大きな一定値を出力するように構成されている。また、直流−直流変換器６の出力側には直流−直流変換器６の出力電流を計測する電流計測器９および出力電力を計測する電力計測器１１が接続されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池および直流蓄電装置を備えた燃料電池電源装置に係り、特に、燃料電池からの直流電力の電圧を調節する直流−直流変換器を有する燃料電池電源装置に関するものである。

従来より、燃料電池と直流蓄電装置とを直流電源として備え、両者を併用して負荷に電力を供給する燃料電池電源装置が提案されている。図５は例えば特開平１−２３４０２４号公報に示された従来の燃料電池電源装置の構成図である。１は燃料ガスと酸化剤ガスの電気化学反応により直流電力を発生させる燃料電池、２はバッテリーまたはコンデンサーから成り直流電力を蓄える直流蓄電装置、３は直流電力を交流電力に変換し負荷４へ電力を供給する電力供給装置である。これらの部材１、２、３は全て直流母線５により接続されている。

このような燃料電池電源装置によれば、負荷４が小さいときには、燃料電池１が負荷４に対して電力を供給すると同時に余剰分を直流蓄電装置２に蓄電する。一方、負荷４が大きくなった場合には、直流蓄電装置２からも負荷４へ電力を供給し、負荷４への電力供給を補償することができる。

しかしながら、上記の燃料電池電源装置においては、負荷４が燃料電池１の出力よりも大きければ直流蓄電装置２が負荷４に電力を供給するため、直流蓄電装置２の残存容量が徐々に低下する。そして、負荷４の大きい状態が長時間継続すると、燃料電池１から直流蓄電装置２への充電が行われないので、直流蓄電装置２の残存容量を回復することができず、負荷４への電力供給が不足することとなる。このような状態では、負荷４へ供給する電力の電圧低下などの電力品質の低下が生じた。また、接続されている負荷４に悪い影響を及ぼしかねない。さらに、燃料電池１は過負荷状態となり、燃料電池１が発生される直流電力の電圧が低くなるといった燃料電池の特性低下を招いていた。

一方、負荷４が燃料電池１の出力よりも小さいと、余剰分を直流蓄電装置２に蓄電するが、この状態が長く続くと、直流蓄電装置２が飽和状態となり、蓄電特性が低下するおそれがあった。また、負荷４が燃料電池１の出力よりも小さい状態が長く続く場合、直流母線５の電圧が過度に上昇して直流母線５に接続される機器の性能劣化を引き起こす要因となっていた。

本発明は、以上の問題点を解決するために提案されたものであり、その主たる目的は、負荷へ供給する電力の品質低下および燃料電池の特性低下を防ぐと共に、安定した電力供給が可能な燃料電池電源装置を提供することにある。本発明の他の目的は、直流母線に接続される機器の性能劣化および直流蓄電装置の蓄電特性低下を防止する優れた燃料電池電源装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、燃料ガスと酸化剤ガスの電気化学反応により直流電力を発生させる燃料電池と、前記直流電力の電圧を調節する直流−直流変換器と、前記直流電力を蓄える直流蓄電装置と、前記直流電力を交流電力に変換して負荷に供給する電力供給装置と、それらを全て接続する直流母線とが設けられた燃料電池電源装置において、次のような技術的な特徴を有している。

請求項１の発明は、前記直流−直流変換器は、前記燃料電池の発電出力の最大値を出力するように構成され、前記直流母線には交流系統と電力の授受する直流−交流双方向変換器が接続され、この直流−交流双方向変換器は、前記直流母線の電圧を一定とするように構成されたことを特徴とする。

以上の請求項１の発明では、直流−交流双方向変換器が直流母線の電圧を一定とするように交流系統との電力授受を調節するため、負荷が燃料電池の出力より小さい場合には余剰電力分を直流−交流双方向変換器から交流系統へ送出する。逆に、負荷が燃料電池の出力より大きい場合には不足電力分を直流−交流双方向変換器により交流系統から受電する。したがって、燃料電池は最も効率のよい最大出力運転を維持したまま、負荷への電力供給を継続することができる。

請求項２の発明は、請求項１記載の燃料電池電源装置において、前記交流系統には交流系統への送電電力を計測する送電電力計測器が接続され、前記負荷には負荷への供給電力を計測する供給電力計測器が接続され、前記２つの電力計測器の計測値と買電価格とから前記燃料電池の発電コストを導き、この発電コストが前記買電価格よりも上回る場合に、前記交流系統への電力の送出を停止するように構成されたことを特徴とする。

以上の請求項２の発明では、燃料電池の発電コストが買電価格を下回る場合には燃料電池は最も効率の良い発電状態を継続し、前述したように負荷が燃料電池の出力より小さいときには余剰電力分を直流−交流双方向変換器から交流系統へ送出する。しかし、燃料電池の発電コストの方が買電価格を上回る場合には直流−交流双方向変換器から交流系統への電力の送出を停止する。これにより、常に発電コストの最も低い状態で電力の供給を行うことができる。

請求項３の発明は、請求項１記載の燃料電池電源装置において、前記交流系統には交流系統への送電電力を計測する送電電力計測器が接続され、前記負荷には負荷への供給電力を計測する供給電力計測器が接続され、前記２つの電力計測器の計測値と買電価格とから前記燃料電池の発電コストを導き、この発電コストが前記買電価格を上回る場合に、前記燃料電池および直流−直流変換器を停止し前記交流系統から電力の供給を受けて前記負荷に電力を供給するように構成されたことを特徴とする。

以上の請求項３の発明では、燃料電池の発電コストが買電価格を下回る場合には燃料電池は最も効率の良い発電状態を継続する。しかし、燃料電池の発電コストが買電価格を上回る場合、つまり燃料電池を運転して発電するよりも交流系統から電力を得た方が安い場合には、燃料電池および直流−直流変換器を停止し、交流系統から電力の供給を受けて負荷に電力を供給する。このような請求項３の発明によれば、常に最も経済的な運転状態で負荷への電力供給を行うことができる。

以上説明したように、本発明によれば、燃料電池の出力を一定とし、負荷が大きい場合には直流蓄電装置または商用系統から不足分の電力を供給し、負荷が小さい場合には余剰分の電力を直流蓄電装置へ貯蔵するか商用系統へ送出することができるので、燃料電池の特性を低下させることなく、安定した電力を負荷に供給することが可能な燃料電池電源装置を得ることができる。

（１）第１の実施の形態
以下、第１の実施の形態について、図１を参照して具体的に説明する。図１は第１の実施の形態を示す構成図であり、図５に示した従来技術と同様の部分は同一の符号を付して説明は省略する。

［構成］
燃料電池１には燃料電池１の直流電力の電圧を調節する直流−直流変換器６が接続されている。直流−直流変換器６の出力側には直流−直流変換器６の出力電流および出力電力を計測する電流計測器９および電力計測器１１が接続されると共に、直流母線５の電圧を計測する電圧計測器１０が接続されている。また、直流蓄電装置２の入出力部分には直流蓄電装置２の充電電流および充電電力を計測する充電電流計測器７および充電電力計測器８が接続されている。

直流−直流変換器６は、次のような出力制御がなされている。通常状態では負荷４が通常の運転状態で必要とする負荷４の通常必要電力よりも大きな一定値を出力する。また、負荷４の増加状態が所定の時間以上継続した場合には、負荷４の通常必要電力に充電電力計測器８が計測した充電電力を加えた値を出力する。さらに、電圧計測器１０が計測した電圧が直流母線５に接続される機器の上限値を逸脱する場合、ならびに、充電電流計測器７が計測した充電電流が直流蓄電装置２の充電電流の上限値を逸脱する場合には、負荷４の通常必要電力よりも小さい値を出力する。

［作用］
以上の構成を有する第１の実施の形態では、燃料電池１は直流−直流変換器６の出力設定に応じて直流電力を出力する。直流−直流変換器６はその直流電力の電圧を調節して直流母線５へ出力する。この出力値は、上記の計測器７、８、９、１０および１１の計測値に基づいて設定される。負荷４が変動し、直流−直流変換器６の出力電力を上回った場合には、直流蓄電装置２は放電して電力供給装置３に不足電力分を供給する。反対に、負荷４が直流−直流変換器６の出力電力を下回った場合には直流蓄電装置２に余剰電力が蓄えられることになる。

負荷４の増加状態が長時間継続した場合には直流蓄電装置２の残存容量が少なくなることがあるが、第１の実施の形態では、電力計測器８により直流蓄電装置２の充電電力を計測しており、負荷４の増加状態が所定の時間以上継続すると、直流−直流変換器６は出力値を負荷４の通常必要電力に充電電力を加えた値に変更する。

反対に、負荷４の減少状態が長時間継続した場合、直流蓄電装置２が飽和状態になって上昇したり、直流母線５の電圧が過度に上昇したりすることがあるが、第１の実施の形態では、電圧計測器１０により直流母線５の電圧を計測し、充電電流計測器７により直流蓄電装置２の充電電流を計測しており、これらの計測値が所定の上限値を逸脱すると直流−直流変換器６の出力値を減少させている。

［効果］
以上のような第１の実施の形態の効果は次の通りである。すなわち、直流−直流変換器６の出力設定値を負荷４が通常必要とする電力よりも大きな一定の値に設定することにより、燃料電池１の出力を一定値とすることが可能になり、負荷４の変動によらず燃料電池１は常に一定出力の安定した運転を行うことができる。また、負荷４が増加した場合には負荷４への供給電力が不足し、直流母線５の電圧が低下するため、直流蓄電装置２は不足電力分を自動的に負荷４に供給する。したがって、電力の供給不足とはならず電力の安定供給が可能である。反対に、負荷４が減少した場合には余剰電力により、直流母線５の電圧が上昇するため、直流蓄電装置２は余剰電力を自動的に貯える。この結果、直流蓄電装置２の残存容量が減少することなく、信頼性の高い燃料電池電源装置を実現することができる。

また、第１の実施の形態においては、負荷４の増加状態が所定の時間以上継続すると直流−直流変換器６の出力値が負荷４の通常必要電力に充電電力を加えた値に変わるので、直流蓄電装置２の残存容量が少なくなることがない。このように直流−直流変換器６の出力値を変更した場合、燃料電池１の出力変動の大きさは直流蓄電装置２の充電電流分だけに抑えられ、大きな出力変動を防ぐことができる。その結果、燃料電池１の電圧低下などの特性低下を防ぐと同時に、直流蓄電装置２の蓄電特性低下も防止することができ、常に安定した電力を負荷４に供給することが可能となる。

さらに、第１の実施の形態では、負荷４の減少状態が続いて直流母線５の電圧が上昇し、直流母線５の電圧が直流母線５に接続される機器の上限値を逸脱する場合、ならびに充電電流計測器７の充電電流が直流蓄電装置２の充電電流の上限値を逸脱する場合には、直流−直流変換器６の出力値を、通常の運転状態で負荷４が必要とする電力よりも小さい値に変化させている。このため、燃料電池１の出力の余剰分をなくして直流蓄電装置２を放電状態とすることができ、直流母線５の電圧低減が可能となる。これにより、直流母線５に接続された機器の性能劣化および直流蓄電装置２の蓄電特性の低下を防止することができる。

（２）第２の実施の形態
続いて、第２の実施の形態を、図２および図３に従って説明する。図２は第２の実施の形態の制御設定値変化特性図、図３は第２の実施の形態の制御ブロック図である。

［構成］
第２の実施の形態の構成上の特徴は、図３に示すように直流−直流変換器６のの出力変化率を制限させる変化率制限手段１６が設けられた点にある。この変化率制限手段１６は、直流−直流変換器６の出力電流および出力電力を取り入れて制御設定値の演算を行い、新しい制御設定値を導くようになっている。図２では、前記第１の実施の形態で説明した直流−直流変換器６の制御設定値の変化を点線Ａで示し、第２の実施の形態による制御設定値の変化を実線Ｂおよび破線Ｃで示している。

［作用］
前述した第１の実施の形態では、直流−直流変換器６の制御設定値は図２のＡ（点線）のようにステップ状に変化することがある。このとき、設定値の変化が急であったり、大きかったり、頻度が高い場合には、その変化に応じて燃料電池１の出力が変化し、長期的には燃料電池１の電圧低下など、燃料電池１の特性低下を引き起こす可能性がある。これに対して第２の実施の形態では、変化率制限手段１６の働きによりＢ（実線）のような一定レート変化や、Ｃ（破線）のような一次遅れ関数のように設定値を緩やかに変化させることができる。

［効果］
このような第２実施の形態によれば、変化率制限手段１６を設けるという簡単な構成により直流−直流変換器６の制御設定値を緩やかに変化させることができ、燃料電池１の出力に急激な変化や頻繁な変化が回避できる。したがって、燃料電池１の特性低下を防止し、安定した電力供給を実現することができる。

（３）第３の実施の形態
次に第３の実施の形態について、図４に用いて説明する。なお、図４は第３の実施の形態の構成図であり、図５に示した従来技術および図１に示した第１の実施の形態と同様の部分は同一の符号を付して説明は省略する。

［構成］
第３の実施の形態では、直流−直流変換器６は、燃料電池１の発電出力の最大値を出力するように構成されている。また、直流母線５には直流−交流双方向変換器１２が接続されている。さらに、直流−交流双方向変換器１２の出力側には商用の交流系統１３および交流系統１３への送電電力を計測する送電電力計測器１４が接続されている。直流−交流双方向変換器１２は交流系統１３との電力授受を調節するもので直流母線５の電圧を一定とするように構成されている。なお、負荷４には負荷４への供給電力を計測する供給電力計測器１５が接続されている。

また、第３の実施の形態は、２つの電力計測器１４、１５の計測値と買電価格とから燃料電池１の発電コストを導き、この発電コストが買電価格を上回る場合に、交流系統１３への電力の送出を停止する、あるいは燃料電池１および直流−直流変換器６を停止し交流系統１３から電力の供給を受けて負荷４に電力を供給するようになっている。

［作用］
以上の構成を有する第３の実施の形態において、負荷４が変動し負荷４が直流−直流変換器６の出力を上回った場合には、直流母線５の電圧は低下する。このとき、直流−交流双方向変換器１２は直流母線５の電圧を上げるように動作する。すなわち、直流−交流双方向変換器１２は正変換動作をして交流系統１３の交流電力を直流電力に変換し、不足電力分を直流母線５を介して負荷４に供給する。なお、負荷４が直流−直流変換器６の出力を上回った状態で直流−交流双方向変換器１２が停止している場合には、直流蓄電装置２が負荷４に不足電力分を供給する。

反対に、負荷４が直流−直流変換器６の出力を下回った場合には、直流母線５の電圧は上昇する。このとき、直流−交流双方向変換器１２は直流母線５の電圧を下げるように動作する。すなわち、直流−交流双方向変換器１２が逆変換動作をして直流母線５の余剰電力を交流電力に変換し、余剰電力を交流系統１３へ送出する。なお、負荷４が直流−直流変換器６の出力を下回った状態で直流−交流双方向変換器１２が停止した場合には、直流−直流変換器６の制御設定値を負荷４の消費電力に合わせている。

また、第３の実施の形態では２つの電力計測器１４、１５の計測値と買電価格とから燃料電池１の発電コストを導いている。そして、この発電コストが買電価格を上回ると、交流系統１３への電力の送出を停止するか、燃料電池１および直流−直流変換器６を停止している。前者の場合には燃料電池１の発電電力を電力供給装置３を用いて負荷４へだけ供給する。一方の後者の場合には直流−交流双方向変換器１２により交流系統１３の交流電力を直流電力へ変換し、その直流電力を直流母線５および電力供給装置３を通して負荷４へ供給する。

［効果］
以上のような第３の実施の形態の効果は次の通りである。すなわち、直流−直流変換器６が燃料電池１の出力を常に最大となるように制御するため、常に効率の良い状態で燃料電池１の運転を継続することができる。このとき、燃料電池１の出力が一定なので、負荷４が変動して直流−直流変換器６の出力を上回ることがあるが、その場合には直流−交流双方向変換器１２により交流系統１３からか、あるいは直流蓄電装置２から不足電力分を得ることができる。したがって、負荷４への給電が常に不足することなく安定した電力供給が可能である。

一方、負荷４が変動して直流−直流変換器６の出力電力を下回った場合には、直流−交流双方向変換器１２が直流母線５の余剰電力を交流系統１３へ送出するため、直流母線５の電圧が上昇することなく、負荷４への給電が安定する。また、負荷４が直流−直流変換器６の出力電力を下回った状態で直流−交流双方向変換器１２が停止したときには、直流−直流変換器６の制御設定値を負荷４の消費電力に合わせることにより、余剰電力をなくして安定した電力供給が可能である。さらに、燃料電池１が停止した場合には、直流蓄電装置２から不足電力分を供給することができる。このように負荷４に対しては常に安定した電力を供給することが可能であり、高い信頼性を獲得することができる。

また、第３の実施の形態によれば、発電コストが買電価格を上回るとき、交流系統１３への電力の送出を停止して最も経済的な運転状態で負荷４へ電力を供給することができる。さらに、発電コストが買電価格を上回り、燃料電池１を運転して発電するよりも交流系統１３から電力を得た方が安く済む場合には、燃料電池１および直流−直流変換器６の停止して、交流系統１３からのみ負荷４に電力を供給して優れた経済性を確保することができる。

本発明の第１の実施の形態の構成図。 本発明の第２の実施の形態の制御設定値変化特性図。 本発明の第２の実施の形態の制御ブロック図。 本発明の第３の実施の形態の構成図。 従来の技術の構成図。

符号の説明

１…燃料電池
２…直流蓄電装置
３…電力供給装置
４…負荷
５…直流母線
６…直流−直流変換器
７…充電電流計測器
８…充電電力計測器
９…電流計測器
１０…電圧計測器
１１…電力計測器
１２…直流−交流双方向変換器
１３…交流系統
１４…送電電力計測器
１５…供給電力計測器
１６…変化率制限手段

Claims (3)

1. 燃料ガスと酸化剤ガスの電気化学反応により直流電力を発生させる燃料電池と、前記直流電力の電圧を調節する直流−直流変換器と、前記直流電力を蓄える直流蓄電装置と、前記直流電力を交流電力に変換して負荷に供給する電力供給装置と、それらを全て接続する直流母線とが設けられた燃料電池電源装置において、
   前記直流−直流変換器は、前記燃料電池の発電出力の最大値を出力するように構成され、
   前記直流母線には交流系統と電力の授受する直流−交流双方向変換器が接続され、
   この直流−交流双方向変換器は、前記直流母線の電圧を一定とするように構成されたことを特徴とする燃料電池電源装置。
2. 前記交流系統には交流系統への送電電力を計測する送電電力計測器が接続され、
   前記負荷には負荷への供給電力を計測する供給電力計測器が接続され、
   前記２つの電力計測器の計測値と買電価格とから前記燃料電池の発電コストを導き、この発電コストが前記買電価格を上回る場合に、前記交流系統への電力の送出を停止するように構成されたことを特徴とする請求項１記載の燃料電池電源装置。
3. 前記交流系統には交流系統への送電電力を計測する送電電力計測器が接続され、
   前記負荷には負荷への供給電力を計測する供給電力計測器が接続され、
   前記２つの電力計測器の計測値と買電価格とから前記燃料電池の発電コストを導き、この発電コストが前記買電価格を上回る場合に、前記燃料電池および直流−直流変換器を停止し前記交流系統から電力の供給を受けて前記負荷に電力を供給するように構成されたことを特徴とする請求項１記載の燃料電池電源装置。

Images