JP2008152959A

JP2008152959A - 燃料電池システム

Info

Publication number: JP2008152959A
Application number: JP2006337188A
Authority: JP
Inventors: Yoko Murabayashi; 陽康村林
Original assignee: Omron Corp; Omron Tateisi Electronics Co
Current assignee: Omron Corp
Priority date: 2006-12-14
Filing date: 2006-12-14
Publication date: 2008-07-03
Anticipated expiration: 2026-12-14
Also published as: KR100908558B1; US20080152974A1; JP5109360B2; KR20080055634A; CN101207211B; EP1933442A2; CN101207211A; US7976996B2; EP1933442A3

Abstract

【課題】燃料電池を用いた家庭用燃料電池システムに関し、負荷の変動に対する追従性に優れ、かつコンデンサの劣化を防ぐとともに商用電源に逆潮流するのを確実に防止し、さらには燃料電池の稼働率を向上させることができる。
【解決手段】負荷の消費電力が燃料電池の出力電力以下で燃料電池の出力電力が余る軽負荷時にその余剰分をコンデンサに充電し、負荷の消費電力が燃料電池の出力電力を超えて燃料電池の出力電力が不足する重負荷時にその不足分を前記コンデンサから負荷に供給する燃料電池システムであって、前記軽負荷時に、前記コンデンサの電圧上昇に応じて前記燃料電池の出力電力を制限することで、前記コンデンサに充電の空き容量をもたせるとともに、前記コンデンサの充電電圧がその耐圧を超えないように制限することを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池を用いた家庭用燃料電池システムに関する。燃料電池は、水素と酸素とを直接燃焼させるのではなく、電解質で隔てられた燃料極と空気極とで別々に電気化学反応させ、電子を外部回路に取り出すことで電気を発生させることができるようにしたものである。

燃料電池システムとしては、商用電源への逆潮流防止のために燃料電池出力を負荷電力（負荷が消費する電力）に一致させるものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。この燃料電池システムでは、燃料電池の電力を供給する燃料電池電源と、電池電力を負荷に応じた電力に変換して負荷側に出力する電力変換手段と、燃料電池電源と電力変換手段とを制御する制御手段とを備えたものがある。燃料電池電源は、都市ガスを水素リッチな燃料ガスに改質する改質器と、供給された燃料ガスを用いて発電する燃料電池とを備える。電力変換手段は、例えば電池電力を昇圧するＤＣ／ＤＣコンバータと、このＤＣ／ＤＣコンバータ出力を交流に変換するインバータとを備えたパワーコンディショナにより構成されている。制御手段は、負荷の軽重に応じて燃料電池電源と電力変換手段とを制御するようになっている。

この燃料電池システムでは、電池電力が規定値を超えて商用電源に逆潮流することは認められていないことに加えて、電池電力は負荷の急変に追随し難い。そのため、負荷が軽負荷になった場合、それに追随できずに余剰電力が発生する。この余剰電力が商用電源に逆潮流しないように、ヒータでその余剰電力を熱変換して消費したり、逆潮流を防止するために商用電源側から順潮流を行う技術が提案されている。

しかしながら、この燃料電池システムでは、負荷の急変に対する低い追随性等により電力利用率が低く、そのシステムの実施普及率は低い。そこで、本出願人は、燃料電池システムの普及向上を図るべく鋭意研究を行った結果、従来のような余剰電力の処理とは全く異なり、コンデンサに余剰電力を充電させ、また、電池電力が不足するときは、コンデンサの蓄積電力を放電させてその不足電力を賄うことができる充放電装置を組み込んで、電力利用率を高めた燃料電池システムを新規に提案したのである。

この新規開発に係る燃料電池システムは、コンデンサの電力変化に対する高い応答ないしは追随性と、近年において開発された電気二重層コンデンサ等の鉛蓄電池並みの大容量のコンデンサを利用したものである。なお、電気二重層コンデンサを利用したエネルギ蓄積装置としては、例えば、特許文献２がある。
特開２００１−０６８１２５号公報特開２００３−１９９３３２号公報

コンデンサを利用した充放電装置を組み込んでなる燃料電池システムにおいては、コンデンサ耐圧電圧（コンデンサ電圧の上限値）以上に充電したり、あるいはコンデンサ放電深度（コンデンサ電圧の下限値）以下に放電してしまうと放電装置にダメージを与えコンデンサが劣化するという問題が生じる。

したがって、本発明の燃料電池システムは、充電時にコンデンサに開き容量を持たせることでコンデンサ耐圧電圧を超えないようにし、かつ放電時にはコンデンサ放電深度以下の電圧にコンデンサを放電させないように制御することで、コンデンサの劣化を防ぐとともに商用電源に逆潮流するのを確実に防止し、さらには燃料電池の稼働率を向上することを目的とする。

本発明の燃料電池システムは、負荷の消費電力が燃料電池の出力電力以下で燃料電池の出力電力が余る軽負荷時にその余剰分をコンデンサに充電し、負荷の消費電力が燃料電池の出力電力を超えて燃料電池の出力電力が不足する重負荷時にその不足分を前記コンデンサから負荷に供給する燃料電池システムであって、前記軽負荷時に、前記コンデンサの電圧上昇に応じて前記燃料電池の出力電力を制限することで、前記コンデンサに充電の空き容量をもたせるとともに、前記コンデンサの充電電圧がその耐圧を超えないように制限することを特徴とする。

電圧検出手段にて前記コンデンサの電圧を検出し、前記軽負荷時に発生する余剰電力が前記コンデンサの空き容量を超えない前記燃料電池の出力電力を前記コンデンサの電圧から算出し、その値を超えないように前記燃料電池の出力電力を制限する。

前記燃料電池の出力電力ＰＢと前記コンデンサの電圧ＶＣとの関係は、

Ｔ：燃料電池の負荷応答
Ｃ：コンデンサの容量
ＶＣｍａｘ：コンデンサ電圧の上限値
を満たす。

より好ましくは、前記重負荷時に、前記コンデンサの電圧降下に応じて負荷に供給される電力を負荷に応じた電力に変換するパワーコンディショナの出力を制限することで、前記コンデンサの放電電圧がその放電深度以下にならないように制限することを特徴とする。

本発明の燃料電池システムによると、コンデンサに余剰電力を充電させ、また、電池電力が不足するときは、コンデンサの蓄積電力を放電させてその不足電力を賄うことができ、負荷の変動に対する追従性に優れるとともに、ヒータを使うことなく確実に自立運転が可能となり電力利用率が向上し、系統のない僻地での利用や停電時の非常用電源に対応できる。

また、軽負荷時に、コンデンサの電圧上昇に応じて燃料電池の出力電力を制限し、コンデンサに充電の空き容量をもたせることで、余剰電力を確実にコンデンサに充電することができ、燃料電池の稼働率が向上し、商用電源に逆潮流するのを確実に防止することができる。

また、軽負荷時に、コンデンサの電圧上昇に応じて燃料電池の出力電力を制限し、コンデンサの充電電圧がその耐圧を超えないように制限することで、コンデンサの劣化を防ぐことができ、コンデンサ電圧を利用可能な範囲内に確実に制御できるので、信頼性に優れ、しかも燃料電池の出力電力ＰＢとコンデンサの電圧ＶＣとの関係を上記のようにすることで、出力可能な最大の燃料電池出力で燃料電池を発電できるので、燃料電池の発電利用率が向上する。

さらに、重負荷時に、コンデンサの電圧降下に応じてパワーコンディショナの出力を制限し、コンデンサの放電電圧がその放電深度以下にならないように制限することで、コンデンサの劣化を防ぐことができる。

本発明のより好ましい燃料電池システムは、前記コンデンサの電圧降下に応じて前記燃料電池の出力電力を上げ、前記コンデンサの電圧上昇に応じて前記パワーコンディショナの出力を上げることを特徴とする。

この燃料電池システムによると、コンデンサの電圧降下に応じて燃料電池の出力電力を上げることで、コンデンサに空き容量があるときは積極的に燃料電池を発電してコンデンサに電力を蓄積し、逆に、コンデンサの電圧上昇に応じてパワーコンディショナの出力を上げることで、コンデンサに電力が十分蓄積できた状態では積極的に負荷に放電する。このように、コンデンサに空き容量があるときに積極的に蓄積した電力を負荷に積極的に放電して利用することで、燃料電池の発電率を高めることができ、パワーコンディショナの定格出力よりも定格の小さい燃料電池を利用することができるようになる。

本発明によれば、負荷の変動に対する追従性に優れ、かつコンデンサの劣化を防ぐとともに商用電源に逆潮流するのを確実に防止し、さらには燃料電池の稼働率を向上させた燃料電池システムを提供できる。

以下、添付した図面を参照して、本発明の実施の形態に係る燃料電池システムを説明する。なお、充放電装置とパワーコンディショナ（内蔵されるＤＣ／ＤＣコンバータとインバータ含む）の電力変換は実際には損失が発生するが、説明を簡単にするため損失を無視し、充放電装置の入出力電力は等しく（ＰＩＯ＝ＰＣ）、パワーコンディショナの入出力電力も等しい（ＰＯ＝ＰＳ）ものとして説明する。

図１に、燃料電池システム１０の概略構成を示す。１１は燃料電池装置、１２はパワーコンディショナ、１３は充放電装置、１４は電気二重層コンデンサ、１５はコントローラ、１６は負荷、１７は商用電源（系統）である。

燃料電池装置１１は、燃料電池の直流出力（電池電力）を供給するものであり、例えば、ガス配管から都市ガス等のガスの供給を受けて水素リッチな改質ガスに改質する改質器と、改質ガス中の一酸化炭素を低減して燃料ガスとする一酸化炭素選択酸化部と、燃料ガスと空気との供給を受けて電気化学反応により発電する燃料電池と、これらを制御して燃料電池の発電による直流出力（電池電力）を供給する電池制御手段１８とを備えた構成になっている。このガスは炭化水素系燃料であればよく都市ガスに限定されずプロパンガスやその他でもよい。このようなガスとすることにより燃料電池システムを一般家庭に設置して用いるのに適したものとすることができる。電池制御手段１８はマイクロコンピュータにより構成することができる。マイクロコンピュータは、コントローラ１５に内蔵されるマイクロコンピュータと通信することができるようになっている。電池制御手段１８はコントローラ１５から燃料電池の出力電力指令値ＢＰＴを受信し、改質器を制御することで目標電力が出力できる状態に徐々に近づく。このとき、電池制御手段１８は、現在出力可能な電力を燃料電池の出力可能電力ＰＢＮとしてコントローラ１５に出力する。なお、燃料電池装置１１にマイクロコンピュータを内蔵させず、コントローラ１５のマイクロコンピュータで燃料電池装置１１を制御することができるようにしてもよい。燃料電池装置１１は、例えば特開２００５−３１０４３５号、特開２００５−３０２４８９号、特開２００２−２３８１６４号公報等に詳細があり、本明細書ではこの燃料電池装置１１の説明は上記にとどめる。

パワーコンディショナ１２は、燃料電池装置１１から供給される電池電力を負荷１６に応じた電力に変換して出力するものである。このパワーコンディショナとして、例えば、燃料電池装置１１から直流電力が出力されてくる場合、この直流電力を例えば１４０Ｖに昇圧するＤＣ／ＤＣコンバータ１９と、このＤＣ／ＤＣコンバータ出力を商用電源１７と同位相のＡＣ１００Ｖの交流電力に変換して負荷１６へ電力を供給するインバータ２０とを備えた構成になっている。インバータ２０の変換動作はコントローラ１５にて制御されるが、パワーコンディショナ１２内に設けた制御手段(マイクロコンピュータ)にて制御する構成としてもよい。このパワーコンディショナ１２の制御は、商用電源１７へ電力が供給されないように、すなわちＭＣ１で逆潮流を検出して逆潮流が商用電源１７へ流れないようにインバータ２０からの出力電力が負荷電力もしくはそれ以下となるよう制御される。なお、パワーコンディショナ１２とコントローラ１５とを別々のブロック構成としたが、パワーコンディショナ１２を、コントローラ１５を含めたブロック構成としてパワーコンディショナ１２と称することもできる。

充放電装置１３は、燃料電池装置１１からの電池電力が余るときは、電気二重層コンデンサ１４にその余剰電力を充電し、不足するときはその不足電力の全部もしくは一部を賄うために電気二重層コンデンサ１４の充電電力をパワーコンディショナ１２に放電するものであり、充電手段（ＤＣ／ＤＣコンバータ）２１と、放電手段（ＤＣ／ＤＣコンバータ）２２と、充放電制御手段２３とを備えた構成になっている（図２参照）。

充電手段２１は、燃料電池装置１１からの電池電力を降圧して電気二重層コンデンサ１４に充電させる降圧動作を行い、放電手段２２は、電気二重層コンデンサ１４の充電電圧を放電させるとともにその放電電圧を昇圧する昇圧動作を行うようになっている。充電手段２１、放電手段２２は、例えば、スイッチ素子、チョークコイル、平滑コンデンサ等により構成することができる。

充放電制御手段２３は、マイクロコンピュータにより構成され、充電手段２１、放電手段２２の動作を制御（どの程度の降圧、昇圧、降圧停止、昇圧停止、等の制御）する。充放電制御手段２３は、例えば、降圧制御ＩＣや昇圧制御ＩＣ、スイッチ素子駆動部、および、これらを制御するマイクロコンピュータ等で構成し、アナログあるいはデジタル信号でこれらＩＣ等を制御することができるようにしてもよい。充放電制御手段２３は、コントローラ１５のマイクロコンピュータと通信して充放電を制御することができるようになっている。なお、充放電装置１３にマイクロコンピュータを内蔵させず、コントローラ１５のマイクロコンピュータで充放電装置１３を制御するようにしてもよい。

コンデンサは、蓄電用のコンデンサであればよく、充放電時間が短く、大容量のコンデンサ、例えば電気二重層コンデンサ１４が好ましい（図３（ａ）参照）。電気二重層コンデンサ１４は、コンデンサ放電深度（コンデンサ電圧の下限値）ＶＣｍｉｎ以上、コンデンサ耐圧電圧（コンデンサ電圧の上限値）ＶＣｍａｘ以下の範囲で利用可能となっている（図３（ｂ）参照）。

コントローラ１５は、マイクロコンピュータにより構成され、システム運転中は電気二重層コンデンサ１４が余剰電力の充電動作と不足電力の全部または一部の賄いのための放電動作とのいずれにも対応（充放電対応）が可能な充電電圧で常時充電されているようコンデンサ電圧を制御する構成になっている。コントローラ１５は、図示を略するが、メモリ、ＣＰＵ等からなるマイクロコンピュータにより構成され、電池電力の各値に応じて電気二重層コンデンサ１４の充放電可能な電圧範囲のテーブルをメモリ等に記憶している。このテーブルには、重負荷に変動して電池電力が不足し電気二重層コンデンサ１４がその不足電力を賄うために放電するのに必要なコンデンサ電圧の下限値ＶＣｍｉｎと、軽負荷に変動して電池電力が余り電気二重層コンデンサ１４がその余剰電力を充電するのに必要なコンデンサ電圧の上限値ＶＣｍａｘが設定されている。

コントローラ１５による充放電装置１３の制御について説明する。コントローラ１５は充放電装置１３の充放電制御手段２３に対して、燃料電池の出力電力ＰＢが燃料電池の出力可能電力ＰＢＮと等しくなるように制御指令を出力する。具体的には、電圧検出手段ＭＶ３と電流検出手段ＭＣ３で検出した電圧と電流から燃料電池の出力電力ＰＢを演算し、出力電力ＰＢが出力可能電力ＰＢＮと等しくなるように、電流検出手段ＭＣ２で検出する電気二重層コンデンサ１４の充放電電流を制御する。

コントローラ１５による燃料電池装置１１の出力制御について説明する。

ｉ）電気二重層コンデンサ１４の電圧が高く空き容量が少ないときは燃料電池装置１１の出力を制限する。具体的には、コントローラ１５は電圧検出手段ＭＶ２で検出する電気二重層コンデンサ１４の電圧上昇に応じて、燃料電池装置１１の電池制御手段１８に対して行う燃料電池の出力電力指令値ＢＰＴを抑制（減少）する。
このとき、燃料電池の出力ＰＢは抑制されるので、負荷１６が重く燃料電池の出力電力ＰＢよりパワーコンディショナの出力電力ＰＳの方が大きいときには、充放電電力ＰＩＯの放電電流が増えることとなりコンデンサの放電（電圧降下）は促進される。、逆に負荷１６が軽く出力電力ＰＢより出力電力ＰＳの方が小さいときには、燃料電池の出力は抑制されているので充放電電力ＰＩＯの充電電流も抑制される。このように、電気二重層コンデンサ１４の電圧上昇を抑制または下降を促進して空き容量を確保することができる。

ii）電気二重層コンデンサ１４の電圧が低く十分に空き容量があるときは燃料電池装置１１の出力を上げるように制御する。具体的には、コントローラ１５は電圧検出手段ＭＶ２で検出する電気二重層コンデンサ１４の電圧降下に応じて、燃料電池装置１１の電池制御手段１８に対して行う燃料電池の出力電力指令値ＢＰＴを増加する。このとき、燃料電池の出力ＰＢは増加するので余剰電力が増加し、その結果、充放電電力ＰＩＯの充電電流が増加し空き容量に電力が蓄積される。、また、重負荷となっても燃料電池の出力が増加しているので燃料電池から供給できる電力が増え、コンデンサからの放電電流を減少させることができる。

上記ｉ）を実施することで余剰電力を充電する空き容量が確保できるので、耐圧を越えるような電気二重層コンデンサ１４への無理な充電や、燃料電池の出力可能電力ＰＢＮを外れる燃料電池装置１１の無理な電力低下を招くことなく、逆潮流の発生を防止でき、システムの信頼性向上とエネルギの損失防止を図ることができる。

上記ii）を実施することで電気二重層コンデンサ１４に空き容量がある間は燃料電池の出力電力ＰＢを上げ、燃料電池装置１１の稼働率を高めることができ、小さい定格の燃料電池装置１１を使うことができる。

コントローラ１５によるパワーコンディショナ１２の出力制御について説明する。

iii）コントローラ１５は電圧検出手段ＭＶ２で検出する電気二重層コンデンサ１４の電圧低下を検出し、電気二重層コンデンサ１４の電圧低下に応じてパワーコンディショナの出力電力ＰＳを制限することで、パワーコンディショナ１２に供給する入力電力ＰＯを低減し、電気二重層コンデンサ１４からの放電電力を抑え、電気二重層コンデンサ１４の電圧低下を抑制する。具体的には、電圧検出手段ＭＶ２で検出する電気二重層コンデンサ１４の電圧が下限値ＶＣｍｉｎとなると、コントローラ１５はパワーコンディショナの出力電力指令値ＰＳＴを燃料電池の出力可能電力ＰＢＮに制限するように設定し、パワーコンディショナ１２の出力を制御する。すなわち、パワーコンディショナの出力可能な電力は燃料電池の出力可能な電力以下に制限されるようにパワーコンディショナ１２の出力を制御する。

iv）コントローラ１５は電圧検出手段ＭＶ２で検出する電気二重層コンデンサ１４の電圧上昇に応じてパワーコンディショナの出力電力ＰＳを増加することで、パワーコンディショナ１２に供給される入力電力ＰＯを増加させ、電気二重層コンデンサ１４の電圧上昇で蓄積できている電力を再利用する。具体的には、電圧検出手段ＭＶ２で検出する電気二重層コンデンサ１４の電圧が下限値ＶＣｍｉｎより大きいとき、コントローラ１５はパワーコンディショナの出力電力指令値ＰＳＴにパワーコンディショナの定格電力を設定し、パワーコンディショナ１２の出力を制御する。

ｖ）上記iii）iv）のいずれの場合も、電流検出手段ＭＣ１で系統電流を検出し、系統へ逆潮流が発生しないようにパワーコンディショナの出力電力指令値ＰＳＴを制限して、パワーコンディショナ１２の出力を制御する。すなわち、iii）またはiv）と、ｖ）のいずれか小さい方の出力となるように制御する。

上記iii）ｖ）を実施することで、パワーコンディショナの出力電力ＰＳ＜＝燃料電池の出力電力ＰＢとなり、パワーコンディショナ１２の出力は全て燃料電池装置１１から賄えるようになるので、電気二重層コンデンサ１４から電力を供給する必要や、燃料電池装置１１から無理に電力を供給する必要がなくなり、システムの信頼性を確保できる。

上記iv）ｖ）を実施することで逆潮流が起こらない範囲で、パワーコンディショナの出力電力ＰＳを上げることができ、電気二重層コンデンサ１４に蓄積した電力を速やかに再利用して燃料電池装置１１の発電使用率が向上できる。

ここで、図４を用いて、燃料電池装置１１の余剰電力と、電気二重層コンデンサ１４の空き容量との関係について説明する。

図４（ａ）は、縦軸が燃料電池の出力電力ＰＢ（Ｗ）、横軸が時間（ｓ）を示しており、図中の実線は燃料電池の出力電力ＰＢ１がゼロになるまでを示している。なお、実線の傾き−Ｔ［Ｗ／ｓ］は燃料電池の負荷応答となる。

下記の式（１）は、燃料電池の出力電力がＰＢ１のとき、燃料電池の出力電力をゼロに絞るまでの電力量を示しており、これは軽負荷変動時の余剰電力に相当する（図中のＳ１の面積に相当）。

余剰電力＝（１／２）×（ＰＢ１²）／Ｔ［Ｗｓ］・・・・・（１）
図４（ｂ）において、コンデンサ電圧がＶＣ１のとき、ＶＣｍａｘまで充電できる電力量（空き容量、図中のＳ２部分）を下記の式（２）に示す。

コンデンサの空き容量
＝（１／２）×Ｃ×（ＶＣｍａｘ²−ＶＣ１²）［Ｗｓ］・・・・・（２）
Ｃはコンデンサの容量で単位は［Ｆ］
図４（ａ）に示した余剰電力を、図４（ｂ）に示したコンデンサの空き容量部分に充電することになるが、コンデンサ電圧の上限値ＶＣｍａｘを越えることができないので、空き容量は余剰電力より大きくする必要がある。すなわち、式（２）＞式（１）の関係式より、下記の式（３）が得られる。

よって、コンデンサ電圧がＶＣ１のとき、燃料電池の出力電圧はＰＢ１よりも小さくしておかないといけない（なお、ＰＢ１とＶＣ１の関係は式（３）を満たすものとする）。このときコンデンサ電圧に応じて、燃料電池装置１１に対して出力電力指令値ＰＢＴを指令するが、燃料電池の反応は遅いので、それを見越した指令値を設定することとなる。コンデンサ電圧がＶＣ１の時に下記の式（４）

を指令するようでは間に合わないので、下記の式（５）

よりも低い指令値を出すようにする。

次に、図５のタイムチャートを用いて燃料電池システムの動作について説明する。図５（ａ）は縦軸が電気二重層コンデンサ１４の電圧、横軸が時間を示している。図５（ｂ）は縦軸が電力、横軸が時間であり、図中には負荷電力ＰＬ（実線）、燃料電池の出力電力ＰＢ（破線）、パワーコンディショナの出力電力ＰＳ（太線）が示されている。図５（ｃ）は縦軸が電力、横軸が時間であり、図中には電気二重層コンデンサの充放電電力ＰＣ（破線）、系統電力ＰＡＣ（実線）が示されている。なお、本例では、パワーコンディショナの定格出力＞燃料電池の定格出力のシステムとして説明する。

（ｔ０−ｔ１）
負荷電力ＰＬが燃料電池の出力電力ＰＢより大きい状態となっている。本例では、電圧検出手段ＭＶ２で検出されたコンデンサ電圧ＶＣは下限値ＶＣｍｉｎとなっているので、パワーコンディショナの出力電力指令値ＰＳＴはパワーコンディショナ１２の定格出力ではなく、燃料電池の出力可能電力ＰＢＮに低減され、パワーコンディショナの出力電力ＰＳを制御する。充放電装置１３は燃料電池の出力電力ＰＢが出力可能電力ＰＢＮとなるように制御しており、また、パワーコンディショナの出力電力ＰＳは出力可能電力ＰＢＮとなるように制御されるので、電気二重層コンデンサ１４からの放電電力は発生せず、電気二重層コンデンサ１４の電圧低下は阻止される。

（ｔ１−ｔ２）
負荷変動によりｔ１で負荷電力ＰＬが燃料電池の出力電力ＰＢよりも軽くなると、電流検出手段ＭＣ１で系統の逆潮流電力を検出する。系統側に逆潮流電力が流れないように、パワーコンディショナの出力電力ＰＳを制限するようにインバータを制御し、パワーコンディショナの出力電力ＰＳは負荷電力ＰＬと等しくなる。このとき（ＰＢ−ＰＬ）が余剰電力となる。

コンデンサ電圧ＶＣは十分に低く空き容量が十分あるので、燃料電池装置１１へは燃料電池の定格出力値が出力電力指令値ＰＢＴとして指示され、燃料電池の出力可能電力ＰＢＮは定格出力のままとなっている。充放電装置１３は、燃料電池の出力電力ＰＢが出力可能電力ＰＢＮとなるように制御するため、燃料電池が定格出力となるように電気二重層コンデンサ１４を充放電制御する。よって、（ＰＢ−ＰＬ）（＝（ＰＢ−ＰＳ））が余剰電力となり、この電力を電気二重層コンデンサ１４に充電するように制御することとなる。その結果、電気二重層コンデンサ１４の電圧は上昇し、電気二重層コンデンサ１４の空き容量は徐々に減少する。

なお、電気二重層コンデンサ１４の空き容量が十分あり、かつ、負荷１６が軽いこの期間では、燃料電池の出力電力ＰＢが最大となるように定格出力に制御されるので、燃料電池の稼働率を上げて速やかに電気二重層コンデンサ１４を充電し、負荷１６が重負荷に変動したときに不足する電力の供給に備えることができる。

（ｔ２−ｔ３）
電気二重層コンデンサ１４の電圧が上昇し、電気二重層コンデンサ１４の空き容量が減少すると、燃料電池の出力電力ＰＢを電気二重層コンデンサ１４の電圧上昇に応じて制限する。これにより、軽負荷変動時に発生する余剰電力を抑え、電気二重層コンデンサ１４の空き容量を超えることなく余剰電力を充電することができる。

電気二重層コンデンサ１４の電圧上昇に応じて燃料電池の出力電力ＰＢを制限するので、電気二重層コンデンサ１４に充電される電力ＰＣ（＝ＰＢ−ＰＳ）は減少し、電気二重層コンデンサ１４の電圧上昇が上限値ＶＣｍａｘを超えないように抑制される。この抑制方法としては、電気二重層コンデンサ１４の電圧から、負荷１６が軽くなったときに発生するであろう燃料電池の余剰電力がその空き容量で賄える燃料電池の出力電力を算出し、その出力を超えないように燃料電池の出力を制御する。燃料電池装置１１への出力制御は、電池制御手段１８へ燃料電池の出力電力指令値ＰＢＴを指令することによって行い、電池制御手段１８はその指令値に従い出力を制御する。

なお、パワーコンディショナの出力電力ＰＳは、電流検出手段ＭＣ１で検出する系統の電流が逆潮流を発生しないように引き続き制限され、ＰＬ＝ＰＳでバランスする。

（ｔ３−ｔ４）
ｔ３で燃料電池の出力電力ＰＢはコンデンサ電圧ＶＣに応じた値となり、燃料電池の出力電力ＰＢと負荷電力ＰＬが釣り合い、電気二重層コンデンサ１４への充電がなくなりコンデンサ電圧ＶＣは一定となる。

（ｔ４−ｔ５−ｔ６）
負荷１６が更に軽くなると、期間ｔ２−ｔ３−ｔ４と同じ動きをする。電気二重層コンデンサ１４の上限値ＶＣｍａｘを越えないように燃料電池の出力電力ＰＢは更に制限される。また、パワーコンディショナの出力電力ＰＳは電流検出手段ＭＣ１で検出する系統電流に逆潮流が発生しないようにＰＬ＝ＰＳに制御される。

（ｔ６−ｔ８）
負荷変動によりｔ６で負荷１６が重くなると、燃料電池の出力電力ＰＢは直ぐには追従できないので不足電力が発生する（図ＢのＰＳ−ＰＢ）。このとき電気二重層コンデンサ１４には、予め軽負荷時に燃料電池が出力した電力が蓄積されており、コンデンサ電圧ＶＣは下限値ＶＣｍｉｎ以上となっているのでパワーコンディショナの出力電力ＰＳはパワーコンディショナ１２の定格出力電力となり、パワーコンディショナ１２は直ちに定格電力が出力するように制御される。この場合、パワーコンディショナの出力電力ＰＳは燃料電池の出力電力ＰＢで全てを賄うことはできず、（ＰＳ−ＰＢ）が不足するが、この分は電気二重層コンデンサ１４に予め蓄積された電力で賄われ（図Ｃ）、その結果コンデンサ電圧ＶＣは徐々に減少する（図Ａ）。コンデンサ電圧ＶＣの低下に伴い空き容量が増加するので、それに見合うように（負荷が軽負荷に変動しても余剰電力が吸収できるレベルに）燃料電池の出力電力ＰＢが増加するように燃料電池を制御する（図ＢのＰＢ）。燃料電池装置１１の出力制御は、燃料電池の出力電力指令値ＰＢＴを電池制御手段１８に指令して行う。

なお、本例では、パワーコンディショナの出力電力ＰＳよりも負荷電力ＰＬが大きいので、系統からその差分の電力（ＰＬ−ＰＳ）が供給される。

（ｔ８−ｔ９）
ｔ８で燃料電池の出力電力ＰＢは燃料電池の定格出力となり一定になる。ここで、パワーコンディショナの出力電力ＰＳで燃料電池の定格を越える部分（ＰＳ−燃料電池定格）は、予め軽負荷時に蓄積しておいた電気二重層コンデンサ１４から供給するように充放電装置１３が放電制御する。

（ｔ９−）
ｔ９でコンデンサ電圧ＶＣが下限値ＶＣｍｉｎとなり、パワーコンディショナの出力電力指令値ＰＳＴが燃料電池の出力可能電力ＰＢＮに制限され、電気二重層コンデンサ１４から電力供給はなくなり、コンデンサ電圧ＶＣは下限値ＶＣｍｉｎで制限される。

このように、負荷が軽いときにコンデンサに電力を蓄積し、負荷が重いときに蓄積した電力を利用することができるので、パワーコンディショナの定格出力よりも燃料電池の定格出力を小さくすることが可能となり、高価な燃料電池の費用を抑えることができる。また、燃料電池出力の平準化ができるので、燃料電池の発電利用率を高めることができる。

なお、上記構成では、パワーコンディショナの定格出力＞燃料電池の定格出力のシステムとしたが、これに限るものではなく、パワーコンディショナの定格出力＜＝燃料電池の定格出力のシステムとしてもよい。

また、図６に、本発明の他の実施の形態に係る燃料電池システム１０の概略ブロック図を示す。図１に示した燃料電池システム１０との違いは、充放電装置１３の入出力電力ＰＩＯの接続先を、パワーコンディショナ１２のＤＣ／ＤＣコンバータ１９とインバータ２０間にした点のみであり、その他の構成ならびに動作は図１の例と同様である。

また、図７に、本発明の他の実施の形態に係る充放電装置１３の概略ブロック図を示す。図２に示した充放電装置１３は、降圧と昇圧とを別々のコンバータで行う構成としたものであるのに対し、図７の充放電装置１３は、１つの充放電手段（双方向コンバータ）で降圧と昇圧の双方向動作を可能としたものであり、構造の簡略化が図れる。

また、図８に、本発明のさらに他の実施の形態に係る充放電装置１３の概略ブロック図を示す。図８の充放電装置１３は、燃料電池側に接続される充電手段（ＤＣ／ＤＣコンバータ）２１のラインと、系統側に接続される放電手段（ＤＣ／ＤＣコンバータ）２２のラインを個別のラインとしたものである。

本発明は、燃料電池を用いた家庭用の燃料電池システムとして有用である。

本発明の実施の形態に係る燃料電池システムの概略ブロック図本発明の実施の形態に係る充放電装置の概略ブロック図本発明の実施の形態に係る電気二重層コンデンサの説明図本発明の実施の形態に係る燃料電池装置の余剰電力と電気二重層コンデンサの空き容量との関係についての説明図本発明の実施の形態に係る燃料電池システムの動作を示すタイムチャート本発明の他の実施の形態に係る燃料電池システムの概略ブロック図本発明の他の実施の形態に係る充放電装置の概略ブロック図本発明の他の実施の形態に係る充放電装置の概略ブロック図

符号の説明

１０燃料電池システム
１１燃料電池装置
１２パワーコンディショナ
１３充放電装置
１４電気二重層コンデンサ
１５コントローラ
１６負荷
１７商用電源

Claims

負荷の消費電力が燃料電池の出力電力以下で燃料電池の出力電力が余る軽負荷時にその余剰分をコンデンサに充電し、負荷の消費電力が燃料電池の出力電力を超えて燃料電池の出力電力が不足する重負荷時にその不足分を前記コンデンサから負荷に供給する燃料電池システムであって、
前記軽負荷時に、前記コンデンサの電圧上昇に応じて前記燃料電池の出力電力を制限することで、前記コンデンサに充電の空き容量をもたせるとともに、前記コンデンサの充電電圧がその耐圧を超えないように制限する、ことを特徴とする燃料電池システム。
電圧検出手段にて前記コンデンサの電圧を検出し、前記軽負荷時に発生する余剰電力が前記コンデンサの空き容量を超えない前記燃料電池の出力電力を前記コンデンサの電圧から算出し、その値を超えないように前記燃料電池の出力電力を制限する、ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
前記燃料電池の出力電力ＰＢと前記コンデンサの電圧ＶＣとの関係が、

Ｔ：燃料電池の負荷応答
Ｃ：コンデンサの容量
ＶＣｍａｘ：コンデンサ電圧の上限値
を満たす、ことを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池システム。
前記重負荷時に、前記コンデンサの電圧降下に応じて負荷に供給される電力を負荷に応じた電力に変換するパワーコンディショナの出力を制限することで、前記コンデンサの放電電圧がその放電深度以下にならないように制限する、ことを特徴とする請求項１ないし３に記載の燃料電池システム。
前記コンデンサの電圧降下に応じて前記燃料電池の出力電力を上げ、
前記コンデンサの電圧上昇に応じて前記パワーコンディショナの出力を上げる、ことを特徴とする請求項４に記載の燃料電池システム。