JP2008103236A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池システムにおいて、待機時の消費電力を低減する。
【解決手段】 燃料電池システムは、燃料ガスと酸化剤ガスとにより発電する燃料電池１１と、交流の系統電源１２と、燃料電池１１から出力される直流電圧を所定の交流電圧に変換して系統電源１２に接続されている電源ライン１３に出力する第１機能と、電源ライン１３からの交流電圧を所定の直流電圧に変換して補機１４に出力する第２機能と、燃料電池１１からの直流電圧を所定の直流電圧に変換して補機１４に出力する第３機能と、を有するインバータシステム１５と、電源ライン１３と補機１４との間にインバータシステム１５に並列に設けられかつ整流素子から構成され、当該燃料電池システムの待機時に、電源ライン１３からの交流電圧を整流して直流電圧に変換して補機に供給可能である整流回路１６と、を備えている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、燃料電池システムに関し、特に、燃料電池システムの待機電力の低減に関する。

燃料電池システムの一形式として、特許文献１に示されているものが知られている。特許文献１の図２に示されているように、燃料電池発電システム４０は、燃料ガス１９と酸化剤ガス１４との電気化学的反応により発電する燃料電池１２と、燃料電池１２から出力される、例えば約５０Ｖの直流電圧を約３００Ｖの所定の直流電圧に変圧するＤＣ／ＤＣコンバータ２０と、ＤＣ／ＤＣコンバータ２０の出力側に接続され、系統電源３６と連系するために、ＤＣ／ＤＣコンバータ２０で変圧された約３００Ｖの直流電圧を２００Ｖ／５０Ｈｚ又は２００Ｖ／６０Ｈｚの交流電圧に変換するＤＣ／ＡＣインバータ２２としての系統連系インバータと、燃料電池１２用の補機３０と、ＤＣ／ＤＣコンバータ２６付き補機３１と、ＤＣ／ＤＣコンバータ２８付き補機３２に電力を供給する補機動力端子２５と、補機動力端子２５を、燃料電池１２の出力側とＤＣ／ＡＣインバータ２２としての系統連系インバータの出力側との間で補機用電力を切り換える切換回路４４と、ＤＣ／ＡＣインバータ２２の出力側と切換回路４４との間に配置されるＡＣ／ＤＣ安定化電源回路２４と、メインコントロール部４２とを備えている。

このように構成すると、燃料電池システムを起動させる時点では系統電源３６側からＡＣ／ＤＣ安定化電源回路２４を経由して補機３０、３１、３２用の電力を安定して供給することができ、その後、燃料電池１２の発電開始に伴い、燃料電池１２の出力ラインから補機３０、３１、３２用の電力を供給することができる。

また、特許文献１には燃料電池システムの待機時に関する記載はないが、待機時には系統電源３６側からＡＣ／ＤＣ安定化電源回路２４を経由して補機３０、３１、３２用の電力を供給していると考えられる。この場合、ＡＣ／ＤＣ安定化電源回路２４を作動させるための電力を供給する必要がある。また、ＡＣ／ＤＣ安定化電源回路２４は高調波の発生を防止するため力率改善回路が設けられているのが一般的であり、この場合、さらに電力が必要となる。

また、燃料電池システムの他の一形式として、特許文献２に示されているものが知られている。特許文献２の図１に示されているように、燃料電池システムＡにおいて、起動運転時には、第１および第２切換スイッチ１８，１９をＡＣ／ＤＣコンバータ１６が補機１３および制御装置１４に接続されるように切り換えて（図１の破線）、補機１３および制御装置１４にはＡＣ／ＤＣコンバータ１６から直流電圧が供給されるようになっている。

また、特許文献２には燃料電池システムの待機時に関する記載はないが、待機時には商用電源ライン１５側から一つのＡＣ／ＤＣコンバータ１６を経由して各補機１３および制御装置１４用の電力を供給していると考えられる。この場合、待機中に電圧の不要な補機に電力が供給されている。
特開２００３−２４３０１１号公報 特開２００４−８７４０３号公報

上述した特許文献１に記載されている燃料電池システムにおいては、燃料電池システムの待機時において、消費電力の低減が望まれていた。また、上述した特許文献２に記載されている燃料電池システムにおいては、燃料電池システムの待機時において、更なる消費電力の低減が望まれていた。

本発明は、上述した問題を解消するためになされたもので、燃料電池システムにおいて、待機時の消費電力を低減することを目的とする。

上記の課題を解決するため、請求項１に係る発明の構成上の特徴は、燃料ガスと酸化剤ガスとにより発電する燃料電池と、交流の系統電源と、燃料電池から出力される直流電圧を所定の交流電圧に変換して系統電源に接続されている電源ラインに出力する第１機能と、電源ラインからの交流電圧を所定の直流電圧に変換して補機に出力する第２機能と、燃料電池からの直流電圧を所定の直流電圧に変換して補機に出力する第３機能と、を有するインバータシステムと、電源ラインと補機との間にインバータシステムに並列に設けられかつ整流素子から構成され、当該燃料電池システムの待機時に、電源ラインからの交流電圧を整流して直流電圧に変換して補機に供給可能である整流回路と、を備えたことである。

また請求項２に係る発明の構成上の特徴は、請求項１において、当該燃料電池システムの待機時には、インバータシステムの電源ラインからの交流電圧を所定の直流電圧に変換して補機に出力する機能を停止させることである。

また請求項３に係る発明の構成上の特徴は、請求項１または請求項２において、インバータシステムは、燃料電池から出力される直流電圧を所定の直流電圧に変換するＤＣ／ＤＣコンバータと、ＤＣ／ＤＣコンバータから出力される直流電圧を交流電圧に変換して電源ラインに出力するか、または電源ラインからの交流電圧を所定の直流電圧に変換するＤＣ／ＡＣインバータと、を備えていることである。

また請求項４に係る発明の構成上の特徴は、燃料ガスと酸化剤ガスとにより発電する燃料電池を備えた燃料電池システムにおいて、当該燃料電池システムの待機時に通電される第１の電力負荷と、当該燃料電池システムの運転時のみに通電され待機時には通電されない第２の電力負荷と、第１の電力負荷に電力を供給する第１の電力変換器と、第２の電力負荷に電力を供給する第２の電力変換器と、待機時に第２の電力変換器を停止させる制御装置と、を備えたことである。

また請求項５に係る発明の構成上の特徴は、請求項４において、交流の系統電源と、燃料電池から出力される直流電圧を所定の交流電圧に変換して系統電源に接続されている電源ラインに出力する第１機能と、電源ラインからの交流電圧を所定の直流電圧に変換して第１および第２の電力変換器に出力する第２機能と、燃料電池からの直流電圧を所定の直流電圧に変換して第１および第２の電力変換器に出力する第３機能と、を有するインバータシステムと、電源ラインと第１および第２の電力変換器との間にインバータシステムに並列に設けられ、当該燃料電池システムの待機時に、電源ラインからの交流電圧を整流して直流電圧に変換して第１および第２の電力変換器に供給可能である電力変換回路と、をさらに備え、制御装置は、待機時に、インバータシステムの電源ラインからの交流電圧を所定の直流電圧に変換して第２の電力変換器に出力する機能を停止させることである。

上記のように構成した請求項１に係る発明においては、当該燃料電池システムの待機時において、交流の系統電源に接続されている電源ラインと補機との間にインバータシステムに並列に設けられかつ整流素子から構成された整流回路が、電源ラインからの交流電圧を整流して直流電圧に変換して補機に供給する。このとき、整流回路は自らを作動させるための電力は必要ないので、燃料電池システムの待機時の消費電力を低減することができる。

上記のように構成した請求項２に係る発明においては、請求項１に係る発明において、当該燃料電池システムの待機時には、インバータシステムの電源ラインからの交流電圧を所定の直流電圧に変換して補機に出力する機能を停止させるので、燃料電池システムの待機時の消費電力をより確実に低減することができる。

上記のように構成した請求項３に係る発明においては、請求項１または請求項２に係る発明において、インバータシステムは、燃料電池から出力される直流電圧を所定の直流電圧に変換するＤＣ／ＤＣコンバータと、ＤＣ／ＤＣコンバータから出力される直流電圧を交流電圧に変換して電源ラインに出力するか、または電源ラインからの交流電圧を所定の直流電圧に変換するＤＣ／ＡＣインバータと、を備えているので、簡単な構成でインバータシステムを構成し、システムを小型化・低コスト化することができる。

上記のように構成した請求項４に係る発明においては、当該燃料電池システムの待機時に通電が必要ない第２の電力負荷（補機）への電力供給を停止し、当該燃料電池システムの待機時に通電が必要である第１の電力負荷（補機）にのみ電力を供給する。これにより、燃料電池システムの待機時に不要な電力を消費するのを防ぐことにより、待機時の消費電力を低減することができる。

上記のように構成した請求項５に係る発明においては、請求項４に係る発明において、燃料ガスと酸化剤ガスとにより発電する燃料電池と、交流の系統電源と、燃料電池から出力される直流電圧を所定の交流電圧に変換して系統電源に接続されている電源ラインに出力する第１機能と、電源ラインからの交流電圧を所定の直流電圧に変換して第１および第２の電力変換器に出力する第２機能と、燃料電池からの直流電圧を所定の直流電圧に変換して第１および第２の電力変換器に出力する第３機能と、を有するインバータシステムと、電源ラインと第１および第２の電力変換器との間にインバータシステムに並列に設けられ、当該燃料電池システムの待機時に、電源ラインからの交流電圧を整流して直流電圧に変換して第１および第２の電力変換器に供給可能である電力変換回路と、をさらに備え、制御装置は、待機時に、インバータシステムの電源ラインからの交流電圧を所定の直流電圧に変換して第２の電力変換器に出力する機能を停止させる。これにより、燃料電池システムの待機時の消費電力をより確実に低減することができる。

１）第１実施形態
以下、本発明による燃料電池システムの第１実施形態について図面を参照して説明する。図１は燃料電池システムの構成を示す構成ブロック図である。この燃料電池システムは、燃料電池１１、系統電源１２、電源ライン１３、補機１４、インバータシステム１５、整流回路１６、燃料電池システム制御装置１７、補機用ＤＣ／ＤＣコンバータ１８から構成されている。

燃料電池１１は、燃料ガス（水素ガスを含む）および酸化剤ガス（酸素を含む空気）が供給されて水素と酸素の化学反応により発電して直流電圧（例えば４０Ｖ）を出力するものである。

改質器２１は、燃料（改質用燃料）を水蒸気改質し、水素リッチな改質ガス（燃料ガス）を燃料電池１１に供給するものであり、バーナ（燃焼部）、改質部、一酸化炭素シフト反応部（以下、ＣＯシフト部という）および一酸化炭素選択酸化反応部（以下、ＣＯ選択酸化部という）から構成されている。燃料としては天然ガス、ＬＰＧ、灯油、ガソリン、メタノールなどがある。

バーナは、起動運転時に外部から燃焼用燃料および燃焼用空気が供給され、または定常運転時に燃料電池１１の燃料極からアノードオフガス（燃料電池に供給され使用されずに排出された改質ガス）が供給され、供給された各可燃性ガスを燃焼して燃焼ガスを改質部に導出するものである。

改質部は、外部から供給された燃料に蒸発器からの水蒸気（改質水）を混合した混合ガスを改質部に充填された触媒により改質して水素ガスと一酸化炭素ガスを生成している（いわゆる水蒸気改質反応）。これと同時に、水蒸気改質反応にて生成された一酸化炭素と水蒸気を水素ガスと二酸化炭素とに変成している（いわゆる一酸化炭素シフト反応）。これら生成されたガス（いわゆる改質ガス）はＣＯシフト部に導出される。

ＣＯシフト部は、この改質ガスに含まれる一酸化炭素と水蒸気をその内部に充填された触媒により反応させて水素ガスと二酸化炭素ガスとに変成している。これにより、改質ガスは一酸化炭素濃度が低減されてＣＯ選択酸化部に導出される。

ＣＯ選択酸化部は、改質ガスに残留している一酸化炭素と外部からさらに供給されたＣＯ浄化用の空気とをその内部に充填された触媒により反応させて二酸化炭素を生成している。これにより、改質ガスは一酸化炭素濃度がさらに低減されて（１０ｐｐｍ以下）燃料電池１１の燃料極に導出される。

系統電源（または商用電源）１２は、該系統電源１２に接続された電源ライン１３を介して電力負荷１９に電力を供給するものである。燃料電池１１はインバータシステム１５を介して電源ライン１３に接続されている。

補機１４は、改質器２１に燃料、水、空気を供給するためのモータ駆動のポンプおよび電磁式バルブ、燃料電池１１に改質ガス、空気（酸素）を供給するための電磁式バルブなどから構成されている。この補機１４は直流電圧にて駆動されるものであり、その駆動電圧は補機用ＤＣ／ＤＣコンバータ１８から供給されるようになっている。

インバータシステム１５は、燃料電池１１から出力される直流電圧を所定の交流電圧に変換して系統電源１２に接続されている電源ライン１３に出力する第１機能と、電源ライン１３からの交流電圧を所定の直流電圧に変換して補機１４に出力する第２機能と、燃料電池１１からの直流電圧を所定の直流電圧に変換して補機１４に出力する第３機能と、を有している。

すなわち、インバータシステム１５は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１５ａ、ＤＣ／ＡＣインバータ１５ｂ、系統連結インバータ制御装置１５ｃ、およびインバータ用電源ＤＣ／ＤＣコンバータ１５ｄを備えている。

ＤＣ／ＤＣコンバータ１５ａは、燃料電池１１から出力される直流電圧（例えば４０Ｖ）を所定の直流電圧（例えば３５０Ｖ）に変換するものである。ＤＣ／ＡＣインバータ１５ｂは、ＤＣ／ＤＣコンバータ１５ａから出力される直流電圧を交流電圧（例えば２００Ｖ）に変換して電源ライン１３に出力するか、または電源ライン１３からの交流電圧（例えば２００Ｖ）を所定の直流電圧（例えば３５０Ｖ）に変換するものである。

系統連結インバータ制御装置１５ｃは、ＤＣ／ＤＣコンバータ１５ａとＤＣ／ＡＣインバータ１５ｂの駆動を制御するものである。この系統連結インバータ制御装置１５ｃは、燃料電池システム制御装置１７と互いに通信可能に接続されており、燃料電池システム制御装置１７の指示にしたがってＤＣ／ＤＣコンバータ１５ａとＤＣ／ＡＣインバータ１５ｂの駆動を制御する。

インバータ用電源ＤＣ／ＤＣコンバータ１５ｄは、ＤＣ／ＤＣコンバータ１５ａまたはＤＣ／ＡＣインバータからの直流電圧を入力して所定の直流電圧に変換して、ＤＣ／ＤＣコンバータ１５ａとＤＣ／ＡＣインバータ１５ｂと系統連結インバータ制御装置１５ｃに電源電圧（駆動電圧）として供給するものである。

整流回路１６は、電源ライン１３と補機１４との間にインバータシステム１５に並列に設けられかつ整流素子から構成され、当該燃料電池システムの待機時に、電源ライン１３からの交流電圧を整流して直流電圧に変換して補機１４に供給可能なものである。例えば、整流回路１６は、整流素子である４つのダイオードから構成され、ダイオードブリッジ回路から構成されている。トランスと組み合わせてもよく、平滑化のため抵抗、コンデンサ、コイルなどと組み合わせてもよい。待機時は、燃料電池システムの発電停止状態のことであり、発電指示（スタートスイッチのオンなど）を待っている状態のことである。

燃料電池システム制御装置１７は、燃料電池システムの全体的な制御を一括集中して行うものであり、燃料電池１１や改質器２１を制御したり、補機１４の駆動を制御したり、インバータシステム１５の駆動を制御したり、補機用ＤＣ／ＤＣコンバータ１８を制御したりする。燃料電池システム制御装置１７には、待機時でも運転時でも常に電圧が供給されている。

補機用ＤＣ／ＤＣコンバータ１８は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１５ａ、ＤＣ／ＡＣインバータまたは整流回路１６からの直流電圧を入力して所定の直流電圧（例えば２４Ｖ）に変換して、補機１４に電源電圧として供給するものである。

このように構成された燃料電池システムの作動について説明する。燃料電池システムの待機時（起動運転でも発電運転でもない状態）には、燃料電池システム制御装置１７からの指令によって系統連系インバータ制御装置１５ｃがＤＣ／ＡＣインバータ１５ｂおよびＤＣ／ＤＣコンバータ１５ａの駆動を停止する。すなわち、電源ライン１３（系統電源１２）からの交流電圧を所定の直流電圧に変換して補機１４に出力するインバータシステム１５の機能が停止される。一方、整流回路１６は電源ライン１３からの交流電圧を整流して直流電圧に変換して補機用ＤＣ／ＤＣコンバータ１８に供給し、補機用ＤＣ／ＤＣコンバータ１８はその供給された直流電圧を変換して補機１４に供給する。これにより、電源ライン１３（系統電源１２）からの電力が、インバータシステム１５を介さないで、整流回路１６を経て補機用ＤＣ／ＤＣコンバータ１８ひいては補機１４に供給される。なお、燃料電池システム制御装置１７にも電力が供給される。

燃料電池システムの発電準備時（起動運転時）には、燃料電池システム制御装置１７からの指令によって系統連系インバータ制御装置１５ｃがＤＣ／ＡＣインバータ１５ｂを駆動するとともにＤＣ／ＤＣコンバータ１５ａの駆動を停止する。これにより、電源ライン１３（系統電源１２）からの電力が、ＤＣ／ＡＣインバータ１５ｂでスイッチングされ電圧と電流の位相が整えられ力率改善されて補機用ＤＣ／ＤＣコンバータひいては補機１４に供給される。この供給される電力によって補機１４は駆動する。なお、燃料電池システム制御装置１７にも電力が供給される。

このとき、整流回路１６で整流された電圧は約ＤＣ２８０Ｖである。ＤＣ／ＡＣインバータ１５ｂで整流された電圧は約ＤＣ３５０Ｖで、ＤＣ２８０Ｖより高い電圧となるため、ＤＣ／ＡＣインバータ１５ｂの力率改善した整流機能が動作し、整流回路１６は停止した状態となり電力は消費しない。インバータシステム１５に異常があった場合は、整流回路１６が動作し電力を供給する。

燃料電池システムの発電運転時には、燃料電池システム制御装置１７からの指令によって系統連系インバータ制御装置１５ｃがＤＣ／ＤＣコンバータ１５ａおよびＤＣ／ＡＣインバータ１５ｂを駆動する。これにより、燃料電池１１からの電力が、ＤＣ／ＤＣコンバータ１５ａで昇圧されて補機用ＤＣ／ＤＣコンバータひいては補機１４に供給される。この供給される電力によって補機１４は駆動する。なお、燃料電池システム制御装置１７にも電力が供給される。また、燃料電池１１からの電力が、ＤＣ／ＡＣインバータ１５ｂを経て電力負荷１９に供給される。

このとき、整流回路１６で整流された電圧は約ＤＣ２８０Ｖである。ＤＣ／ＡＣインバータ１５ｂで整流された電圧は約ＤＣ３５０Ｖで、ＤＣ２８０Ｖより高い電圧となるため、ＤＣ／ＡＣインバータ１５ｂの力率改善した整流機能が動作し、整流回路１６は停止した状態となり電力は消費しない。インバータシステム１５に異常があった場合は、整流回路１６が動作し電力を供給する。

上述した説明から明らかなように、本第１実施形態においては、当該燃料電池システムの待機時において、交流の系統電源１２に接続されている電源ライン１３と補機１４との間にインバータシステム１５に並列に設けられかつ整流素子から構成された整流回路１６が、電源ライン１３からの交流電圧を整流して直流電圧に変換して補機１４に供給する。このとき、整流回路１６は自らを作動させるための電力は必要ないので、燃料電池システムの待機時の消費電力を低減することができる。

また、待機時には、燃料電池システム制御装置１７や補機１４などで消費される電力は数Ｗである。一方、一般的に整流装置の出力が数Ｗである場合には、電流波形の歪が小さく周囲に対する高調波の影響が少ないので、力率改善回路を含まない単純なダイオードブリッジ整流回路を整流装置として使用することが可能である。発電準備時には、燃料電池システム制御装置１７や補機１４などで消費される電力は約１００Ｗである。この場合、単純なダイオードブリッジ整流回路では、力率が悪くなり電流波形が歪み高調波が大きくなり周囲に悪影響を及ぼす。したがって、発電準備時にはＤＣ／ＡＣインバータ１５ｂのみを駆動させ、歪みのない電流波形を形成し力率改善機能が可能となる。これらのことから、燃料電池システムの待機時には消費電力を低減し、発電準備時には力率改善機能を発揮させる２つの作用を両立することができる。

また、当該燃料電池システムの待機時には、インバータの電源ラインからの交流電圧を所定の直流電圧に変換して補機に出力する機能を停止させるので、燃料電池システムの待機時の消費電力をより確実に低減することができる。

また、インバータシステム１５は、燃料電池１１から出力される直流電圧を所定の直流電圧に変換するＤＣ／ＤＣコンバータ１５ａと、ＤＣ／ＤＣコンバータ１５ａから出力される直流電圧を交流電圧に変換して電源ライン１３に出力するか、または電源ライン１３からの交流電圧を所定の直流電圧に変換するＤＣ／ＡＣインバータ１５ｂと、を備えているので、簡単な構成でインバータシステム１５を構成し、燃料電池システムを小型化・低コスト化することができる。

２）第２実施形態
以下、本発明による燃料電池システムの第２実施形態について図面を参照して説明する。図２は燃料電池システムの構成を示す構成ブロック図である。この燃料電池システムは、燃料電池１１、系統電源１２、電源ライン１３、インバータシステム１５、整流回路１６、燃料電池システム制御装置１７、補機用ＤＣ／ＤＣコンバータ１８、待機時稼動用ＤＣ／ＤＣコンバータ２５、補機（ガスセンサ等）２６、待機時停止補機用ＤＣ／ＤＣコンバータ２７、補機（マイコン付き）２８から構成されている。なお、第１実施形態と同一の構成部材については同一符号を付してその説明を省略する。

第１補機２６は、当該燃料電池システムの待機時にも通電される第１の電力負荷である。第１補機２６は、待機時にも駆動の必要があるものであり、天然ガスなど燃料の漏れを検出するガスセンサ等である。第１補機２６は、待機時にも監視が必要なものである。

第１の電力変換器である待機時稼動用ＤＣ／ＤＣコンバータ２５は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１５ａ、ＤＣ／ＡＣインバータまたは整流回路１６からの直流電圧を入力して所定の直流電圧（例えば２４Ｖ）に変換して、燃料電池システム制御装置１７や第１補機２６に電源電圧として供給するものである。待機時稼動用ＤＣ／ＤＣコンバータ２５は常時駆動用電力が供給され駆動されている。

第２補機２８は、当該燃料電池システムの運転時のみに通電され待機時には通電されない第２の電力負荷である。第２補機２８は、例えば、圧力センサ、ポンプ、流量制御弁など、運転時に駆動されるものである。第２補機２８は、マイコン付のものを使用することが好ましい。

第２の電力変換器である待機時停止補機用ＤＣ／ＤＣコンバータ２７は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１５ａ、ＤＣ／ＡＣインバータまたは整流回路１６からの直流電圧を入力して所定の直流電圧（例えば２４Ｖ）に変換して、第２補機２８に電源電圧として供給するものである。待機時停止補機用ＤＣ／ＤＣコンバータ２７は、燃料電池システム制御装置１７の指示にしたがって駆動が制御されるものであり、燃料電池システムの待機時に駆動が停止される。

なお、インバータシステム１５は、燃料電池１１から出力される直流電圧を所定の交流電圧に変換して系統電源１２に接続されている電源ライン１３に出力する機能と、電源ライン１３からの交流電圧を所定の直流電圧に変換して待機時稼動用ＤＣ／ＤＣコンバータ２５および待機時停止補機用ＤＣ／ＤＣコンバータ２７に出力する機能と、燃料電池からの直流電圧を所定の直流電圧に変換して待機時稼動用ＤＣ／ＤＣコンバータ２５および待機時停止補機用ＤＣ／ＤＣコンバータ２７に出力する機能と、を有する。

また、整流回路１６は、電源ライン１３と待機時稼動用ＤＣ／ＤＣコンバータ２５および待機時停止補機用ＤＣ／ＤＣコンバータ２７との間にインバータシステム１５に並列に設けられ、当該燃料電池システムの待機時に、電源ライン１３からの交流電圧を整流して直流電圧に変換して待機時稼動用ＤＣ／ＤＣコンバータ２５および待機時停止補機用ＤＣ／ＤＣコンバータ２７に供給可能である電力変換回路である。

このように構成された燃料電池システムの作動について説明する。燃料電池システムの待機時には、燃料電池システム制御装置１７からの指令によって系統連系インバータ制御装置１５ｃがＤＣ／ＡＣインバータ１５ｂおよびＤＣ／ＤＣコンバータ１５ａの駆動を停止する。すなわち、燃料電池システム制御装置１７は、電源ライン１３（系統電源１２）からの交流電圧を所定の直流電圧に変換して待機時稼動用ＤＣ／ＤＣコンバータ２５および待機時停止補機用ＤＣ／ＤＣコンバータ２７に出力するインバータシステム１５の機能が停止される。

一方、整流回路１６は電源ライン１３からの交流電圧を整流して直流電圧に変換して待機時稼動用ＤＣ／ＤＣコンバータ２５および待機時停止補機用ＤＣ／ＤＣコンバータ２７に供給する。燃料電池システム制御装置１７からの指令によって待機時停止補機用ＤＣ／ＤＣコンバータ２７の駆動が停止される。これにより、電源ライン１３（系統電源１２）からの電力が、インバータシステム１５を介さないで、整流回路１６を経て待機時停止補機用ＤＣ／ＤＣコンバータ２７までは供給されるが、第２補機２８には供給されない。

また、待機時稼動用ＤＣ／ＤＣコンバータ２５は常に駆動しているので、電源ライン１３（系統電源１２）からの電力が、インバータシステム１５を介さないで、整流回路１６を経て待機時稼動用ＤＣ／ＤＣコンバータ２５を経て、燃料電池システム制御装置１７および第１補機２６に供給される。

燃料電池システムの発電準備時（起動運転時）には、燃料電池システム制御装置１７からの指令によって系統連系インバータ制御装置１５ｃがＤＣ／ＡＣインバータ１５ｂを駆動するとともにＤＣ／ＤＣコンバータ１５ａの駆動を停止する。これにより、電源ライン１３（系統電源１２）からの電力が、ＤＣ／ＡＣインバータ１５ｂでスイッチングされ電圧と電流の位相が整えられ力率改善されて待機時稼動用ＤＣ／ＤＣコンバータ２５および待機時停止補機用ＤＣ／ＤＣコンバータ２７に供給され、ひいては燃料電池システム制御装置１７、第１補機２６，２８に供給される。

このとき、整流回路１６で整流された電圧は約ＤＣ２８０Ｖである。ＤＣ／ＡＣインバータ１５ｂで整流された電圧は約ＤＣ３５０Ｖで、ＤＣ２８０Ｖより高い電圧となるため、ＤＣ／ＡＣインバータ１５ｂの力率改善した整流機能が動作し、整流回路１６は停止した状態となり電力は消費しない。インバータシステム１５に異常があった場合は、整流回路１６が動作し電力を供給する。

燃料電池システムの発電運転時には、燃料電池システム制御装置１７からの指令によって系統連系インバータ制御装置１５ｃがＤＣ／ＤＣコンバータ１５ａおよびＤＣ／ＡＣインバータ１５ｂを駆動する。これにより、燃料電池１１からの電力が、ＤＣ／ＤＣコンバータ１５ａおよび待機時稼動用ＤＣ／ＤＣコンバータ２５を経て燃料電池システム制御装置１７および第１補機２６に供給されるとともに、ＤＣ／ＤＣコンバータ１５ａおよび待機時停止補機用ＤＣ／ＤＣコンバータ２７を経て第２補機２８に供給される。また、燃料電池１１からの電力が、ＤＣ／ＡＣインバータ１５ｂを経て電力負荷１９に供給される。

このとき、整流回路１６で整流された電圧は約ＤＣ２８０Ｖである。ＤＣ／ＡＣインバータ１５ｂで整流された電圧は約ＤＣ３５０Ｖで、ＤＣ２８０Ｖより高い電圧となるため、ＤＣ／ＡＣインバータ１５ｂの力率改善した整流機能が動作し、整流回路１６は停止した状態となり電力は消費しない。インバータシステム１５に異常があった場合は、整流回路１６が動作し電力を供給する。

上述した説明から明らかなように、本第２実施形態においては、当該燃料電池システムの待機時に通電が必要ない第２の電力負荷（第２補機２８）への電力供給を停止し、当該燃料電池システムの待機時に通電が必要である第１の電力負荷（燃料電池システム制御装置１７や第１補機２６）にのみ電力を供給する。これにより、燃料電池システムの待機時に不要な電力を消費するのを防ぐことにより、待機時の消費電力を低減することができる。

また、燃料ガスと酸化剤ガスとにより発電する燃料電池１１と、交流の系統電源１２と、燃料電池１１から出力される直流電圧を所定の交流電圧に変換して系統電源１２に接続されている電源ライン１３に出力する機能と、電源ライン１３からの交流電圧を所定の直流電圧に変換して待機時稼動用ＤＣ／ＤＣコンバータ２５および待機時停止補機用ＤＣ／ＤＣコンバータ２７に出力する機能と、燃料電池１１からの直流電圧を所定の直流電圧に変換して待機時稼動用ＤＣ／ＤＣコンバータ２５および待機時停止補機用ＤＣ／ＤＣコンバータ２７に出力する機能と、を有するインバータシステム１５と、電源ライン１３と待機時稼動用ＤＣ／ＤＣコンバータ２５および待機時停止補機用ＤＣ／ＤＣコンバータ２７との間にインバータシステム１５に並列に設けられ、当該燃料電池システムの待機時に、電源ライン１３からの交流電圧を整流して直流電圧に変換して待機時稼動用ＤＣ／ＤＣコンバータ２５および待機時停止補機用ＤＣ／ＤＣコンバータ２７に供給可能である整流回路１６と、をさらに備え、燃料電池システム制御装置１７は、電源ライン１３からの交流電圧を所定の直流電圧に変換して待機時稼動用ＤＣ／ＤＣコンバータ２５および待機時停止補機用ＤＣ／ＤＣコンバータ２７に出力するインバータシステム１５の機能を停止させる。これにより、燃料電池システムの待機時の消費電力をより確実に低減することができる。

なお、上述した第２実施形態においては、整流回路１６の代わりに他の電力変換回路例えばＤＣ／ＡＣインバータを設置するようにしてもよい。

３）第３実施形態
以下、本発明による燃料電池システムの第３実施形態について図面を参照して説明する。図３は燃料電池システムの構成を示す構成ブロック図である。この燃料電池システムは、燃料電池１１、系統電源１２、電源ライン１３、インバータシステム１５、燃料電池システム制御装置１７、補機用ＤＣ／ＤＣコンバータ１８、待機時稼動用ＤＣ／ＤＣコンバータ２５、補機（ガスセンサ等）２６、待機時停止補機用ＤＣ／ＤＣコンバータ２７、補機（マイコン付き）２８、切換回路２９、ＡＣ／ＤＣコンバータ３１から構成されている。なお、第１および第２実施形態と同一の構成部材については同一符号を付してその説明を省略する。

インバータシステム１５は、燃料電池１１から出力される直流電圧を所定の交流電圧に変換して系統電源１２に接続されている電源ライン１３に出力する機能と、電源ライン１３からの交流電圧を所定の直流電圧に変換してインバータ用電源ＤＣ／ＤＣコンバータ１５ｄに出力する機能と、を有する。

切換回路２９は、燃料電池１１と電源ライン１３との間にインバータシステム１５に並列に設けられている。切換回路２９は、燃料電池１１と待機時稼動用ＤＣ／ＤＣコンバータ２５および待機時停止補機用ＤＣ／ＤＣコンバータ２７との接続（図３にて破線で示す）と、電源ライン１３と待機時稼動用ＤＣ／ＤＣコンバータ２５および待機時停止補機用ＤＣ／ＤＣコンバータ２７との接続（図３にて実線で示す）とを、燃料電池システム制御装置１７の指示にしたがって切り換えるものである。

ＡＣ／ＤＣコンバータ３１は、切換回路２９と電源ライン１３との間に配設されている。ＡＣ／ＤＣコンバータ３１は、電源ライン１３からの交流電圧（例えば２００Ｖ）を所定の直流電圧（例えば２４Ｖ）に変換するものである。

このように構成された燃料電池システムの作動について説明する。燃料電池システムの待機時には、燃料電池システム制御装置１７からの指令によって切換回路２９が図３の実線に示すように切り換えられる。これにより、電源ライン１３（系統電源１２）からの電力が、インバータシステム１５を介さないで、ＡＣ／ＤＣコンバータ３１および切換回路２９を経て、待機時稼動用ＤＣ／ＤＣコンバータ２５および待機時停止補機用ＤＣ／ＤＣコンバータ２７までは供給される。

また、燃料電池システム制御装置１７からの指令によって待機時停止補機用ＤＣ／ＤＣコンバータ２７の駆動が停止される。これにより、電源ライン１３（系統電源１２）からの電力は、第２補機２８には供給されない。また、待機時稼動用ＤＣ／ＤＣコンバータ２５は常に駆動しているので、電源ライン１３（系統電源１２）からの電力は、燃料電池システム制御装置１７および第１補機２６に供給される。

燃料電池システムの発電準備時（起動運転時）には、燃料電池システム制御装置１７からの指令によって待機時停止補機用ＤＣ／ＤＣコンバータ２７が駆動される。これにより、電源ライン１３（系統電源１２）からの電力は、第２補機２８にも供給される。

燃料電池システムの発電運転時には、燃料電池システム制御装置１７からの指令によって切換回路２９が図３の破線に示すように切り換えられる。これにより、燃料電池１１からの電力が、ＤＣ／ＤＣコンバータ１５ａおよび待機時稼動用ＤＣ／ＤＣコンバータ２５を経て燃料電池システム制御装置１７および第１補機２６に供給されるとともに、ＤＣ／ＤＣコンバータ１５ａおよび待機時停止補機用ＤＣ／ＤＣコンバータ２７を経て第２補機２８に供給される。また、燃料電池システム制御装置１７からの指令によって系統連系インバータ制御装置１５ｃがＤＣ／ＤＣコンバータ１５ａおよびＤＣ／ＡＣインバータ１５ｂを駆動する。これにより、燃料電池１１からの電力が、ＤＣ／ＤＣコンバータ１５ａおよびＤＣ／ＡＣインバータ１５ｂを経て電力負荷１９に供給される。

本第３実施形態によれば、当該燃料電池システムの待機時に通電が必要ない第２の電力負荷（第２補機２８）への電力供給を停止し、当該燃料電池システムの待機時に通電が必要である第１の電力負荷（燃料電池システム制御装置１７や第１補機２６）にのみ電力を供給する。これにより、燃料電池システムの待機時に不要な電力を消費するのを防ぐことにより、待機時の消費電力を低減することができる。

本発明による燃料電池システムの第１実施形態の構成を示す構成ブロック図である。 本発明による燃料電池システムの第２実施形態の構成を示す構成ブロック図である。 本発明による燃料電池システムの第３実施形態の構成を示す構成ブロック図である。

符号の説明

１１…燃料電池、１２…系統電源、１３…電源ライン、１４…補機、１５…インバータシステム、１５ａ…ＤＣ／ＤＣコンバータ、１５ｂ…ＤＣ／ＡＣインバータ、１５ｃ…系統連系インバータ制御装置、１５ｄ…インバータ用電源ＤＣ／ＤＣコンバータ、１６…整流回路、１７…燃料電池システム制御装置、１８補機用ＤＣ／ＤＣコンバータ、１９…電力負荷、２１…改質器、２５…待機時稼動用ＤＣ／ＤＣコンバータ（第１の電力変換器）、２６…第１補機（第１の電力負荷）、２７…待機時停止補機用ＤＣ／ＤＣコンバータ（第２の電力変換器）、２８…第２補機（第２の電力負荷）、２９…切換回路、３１…ＡＣ／ＤＣインバータ。

Claims (5)

1. 燃料ガスと酸化剤ガスとにより発電する燃料電池と、
   交流の系統電源と、
   前記燃料電池から出力される直流電圧を所定の交流電圧に変換して前記系統電源に接続されている電源ラインに出力する第１機能と、前記電源ラインからの交流電圧を所定の直流電圧に変換して補機に出力する第２機能と、前記燃料電池からの直流電圧を所定の直流電圧に変換して補機に出力する第３機能と、を有するインバータシステムと、
   前記電源ラインと前記補機との間に前記インバータシステムに並列に設けられかつ整流素子から構成され、当該燃料電池システムの待機時に、前記電源ラインからの交流電圧を整流して直流電圧に変換して前記補機に供給可能である整流回路と、を備えたことを特徴とする燃料電池システム。
2. 請求項１において、当該燃料電池システムの待機時には、前記インバータシステムの前記電源ラインからの交流電圧を所定の直流電圧に変換して補機に出力する機能を停止させることを特徴とする燃料電池システム。
3. 請求項１または請求項２において、前記インバータシステムは、
   前記燃料電池から出力される直流電圧を所定の直流電圧に変換するＤＣ／ＤＣコンバータと、
   前記ＤＣ／ＤＣコンバータから出力される直流電圧を交流電圧に変換して前記電源ラインに出力するか、または前記電源ラインからの交流電圧を所定の直流電圧に変換するＤＣ／ＡＣインバータと、を備えていることを特徴とする燃料電池システム。
4. 燃料ガスと酸化剤ガスとにより発電する燃料電池を備えた燃料電池システムにおいて、
   当該燃料電池システムの待機時に通電される第１の電力負荷と、
   当該燃料電池システムの運転時のみに通電され前記待機時には通電されない第２の電力負荷と、
   前記第１の電力負荷に電力を供給する第１の電力変換器と、
   前記第２の電力負荷に電力を供給する第２の電力変換器と、
   前記待機時に前記第２の電力変換器を停止させる制御装置と、を備えたことを特徴とする燃料電池システム。
5. 請求項４において、
   交流の系統電源と、
   前記燃料電池から出力される直流電圧を所定の交流電圧に変換して前記系統電源に接続されている電源ラインに出力する第１機能と、前記電源ラインからの交流電圧を所定の直流電圧に変換して前記第１および第２の電力変換器に出力する第２機能と、前記燃料電池からの直流電圧を所定の直流電圧に変換して前記第１および第２の電力変換器に出力する第３機能と、を有するインバータシステムと、
   前記電源ラインと前記第１および第２の電力変換器との間に前記インバータシステムに並列に設けられ、当該燃料電池システムの待機時に、前記電源ラインからの交流電圧を整流して直流電圧に変換して前記第１および第２の電力変換器に供給可能である電力変換回路と、をさらに備え、
   前記制御装置は、前記待機時に、前記インバータシステムの前記電源ラインからの交流電圧を所定の直流電圧に変換して前記第２の電力変換器に出力する機能を停止させることを特徴とする燃料電池システム。

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