JP2009048972A - 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、起動および停止時に燃料電池で消費される電力（電圧）をできるだけ低く抑制し、セルの劣化を抑制する。
【解決手段】燃料電池システムは、燃料電池１１の起動および停止時に、燃料電池１１を運転させる補機１４に燃料電池１１からの直流電圧を所定の直流電圧に変換して出力する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し、かつ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ＤＣ／ＡＣインバータ１５ｂ、または電源ライン１３と補機１４との間にＤＣ／ＡＣインバータ１５ｂに並列に設けられ電源ライン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に供給可能である整流回路１６をバランスさせて、燃料電池１１の電圧を調整する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。

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は、燃料電池スタック２に外部負荷４を含む外部負荷回路５を接続して起動するまで、固定抵抗８を含む外部接続回路６を接続してここを流れる電流を検知器９によって検出し、所定値に達したとき外部負荷回路５を接続することで、反応ガスが充分に供給された状態での起動を可能とし、カーボンの腐食等が生じないようになっている。
特開平１０−２８４１０４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、燃料電池スタックの起電力および内部抵抗をＥおよびｒとし、外部接続回路６の固定抵抗８の外部抵抗をＲとし、燃料電池スタックと固定抵抗８を直列に接続した閉回路を流れる電流をｉとすると、起電力は下記数１で示される。
（数１）
Ｅ＝ｉ（Ｒ＋ｒ）
このとき、起動および停止時にて、燃料電池スタックを構成する各セルに燃料が行き届いていない場合には、その内部抵抗ｒが大きくなり、固定抵抗８は固定値Ｒであるので、上記数１より起電力Ｅが大きくなり、燃料電池スタックの開回路電圧に近い高電圧を発生させるおそれがあり、これにより、セルが劣化するおそれがある。

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、起動および停止時に燃料電池で消費される電力（電圧）をできるだけ低く抑制し、セルの劣化を抑制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、燃料電池を運転させる補機に、燃料電池からの直流電圧を所定の直流電圧に変換して出力するコンバータと、コンバータ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し、かつ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インバータと、電源ラインと補機との間にインバータに並列に設けられ、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、を備えた燃料電池システムであって、燃料電池の起動および停止時に、コンバータと整流回路またはインバータをバランスさせて、燃料電池の電圧を調整することである。

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、コンバータ、インバータおよび整流回路の少なくともいずれ一からの直流電圧を補機で消費させることである。

また請求項３に係る発明の構成上の特徴は、請求項２において、燃料電池の起動時に、コンバータは、該コンバータで補機の使用電力より小さい電力を変換するとともにその差分である補機に対する不足電力は系統電源から整流回路を通して補充されるように制御されることである。

また請求項４に係る発明の構成上の特徴は、請求項２において、燃料電池の起動時に、コンバータは、該コンバータで補機の使用電力より小さい電力を変換するとともにその差分である補機に対する不足電力は系統電源からインバータを通して補充されるように制御されることである。

また請求項５に係る発明の構成上の特徴は、請求項３または請求項４において、燃料電池の電圧が該燃料電池の開回路電圧より低い第１所定電圧に達した場合、コンバータはその作動が開始されることである。

また請求項６に係る発明の構成上の特徴は、請求項２において、燃料電池の停止時に、コンバータは、該コンバータで補機の使用電力より小さい電力を変換するとともにその差分である補機に対する不足電力は系統電源から整流回路を通して補充されるように制御されることである。

また請求項７に係る発明の構成上の特徴は、請求項２において、燃料電池の停止時に、コンバータは、該コンバータで補機の使用電力より小さい電力を変換するとともにその差分である補機に対する不足電力は系統電源からインバータを通して補充されるように制御されることである。

また請求項８に係る発明の構成上の特徴は、請求項１において、系統電源に電源ラインを介して接続されている交流負荷をさらに備え、コンバータからの直流電圧を補機で消費させるとともに、コンバータからの直流電圧をインバータを介して交流負荷で消費させることである。

また請求項９に係る発明の構成上の特徴は、請求項８において、燃料電池の停止時に、コンバータは、該コンバータで補機の使用電力より大きい電力を変換するとともにその差分である補機に対する余剰電力はインバータを通して交流負荷に供給されるように制御されることである。

また請求項１０に係る発明の構成上の特徴は、請求項１乃至請求項９の何れか一項において、コンバータは絶縁型であることである。

上記のように構成した請求項１に係る発明においては、燃料電池の起動および停止時に、燃料電池を運転させる補機に燃料電池からの直流電圧を所定の直流電圧に変換して出力するコンバータと、コンバータ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し、かつ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インバータ、または電源ラインと補機との間にインバータに並列に設けられ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をバランスさせて、燃料電池の電圧を調整する。これにより、燃料電池で消費される電力（電圧）を任意に設定できるので、起動および停止時に燃料電池で消費される電力（電圧）を必要に応じて極力低く抑制し、セルの劣化を抑制することができる。

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、コンバータ、インバータおよび整流回路の少なくともいずれ一からの直流電圧を補機で消費させるので、従来技術のように専用の抵抗を別に設けないでより低コストにて燃料電池からの電力をより確実に消費することができる。

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２に係る発明において、燃料電池の起動時に、コンバータは、該コンバータで補機の使用電力より小さい電力を変換するとともにその差分である補機に対する不足電力は系統電源から整流回路を通して補充されるように制御されるので、燃料電池の起動時に、コンバータと整流回路を確実にバランスさせて、燃料電池の電圧を確実に調整することができる。

上記のように構成した請求項４に係る発明においては、請求項２に係る発明において、燃料電池の起動時に、コンバータは、該コンバータで補機の使用電力より小さい電力を変換するとともにその差分である補機に対する不足電力は系統電源からインバータを通して補充されるように制御されるので、燃料電池の起動時に、コンバータとインバータを確実にバランスさせて、燃料電池の電圧を確実に調整することができる。

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３または請求項４に係る発明において、燃料電池の電圧が該燃料電池の開回路電圧より低い第１所定電圧に達した場合、コンバータはその作動が開始されるので、起動時に開回路電圧ほど高くない電圧を燃料電池に発生させないので、セルの劣化を抑制することができる。

上記のように構成した請求項６に係る発明においては、請求項２に係る発明において、燃料電池の停止時に、コンバータは、該コンバータで補機の使用電力より小さい電力を変換するとともにその差分である補機に対する不足電力は系統電源から整流回路を通して補充されるように制御されるので、燃料電池の停止時に、コンバータと整流回路を確実にバランスさせて、燃料電池の電圧を確実に調整することができる。

上記のように構成した請求項７に係る発明においては、請求項２において、燃料電池の停止時に、コンバータは、該コンバータで補機の使用電力より小さい電力を変換するとともにその差分である補機に対する不足電力は系統電源からインバータを通して補充されるように制御されるので、燃料電池の停止時に、コンバータとインバータを確実にバランスさせて、燃料電池の電圧を確実に調整することができる。

上記のように構成した請求項８に係る発明においては、請求項１に係る発明において、コンバータからの直流電圧を補機で消費させるとともに、コンバータからの直流電圧をインバータを介して交流負荷で消費させるので、従来技術のように専用の抵抗を別に設けないで低コストにて燃料電池からの電力を確実に消費することができる。

上記のように構成した請求項９に係る発明においては、請求項８に係る発明において、燃料電池の停止時に、コンバータは、該コンバータで補機の使用電力より大きい電力を変換するとともにその差分である補機に対する余剰電力はインバータを通して交流負荷に供給されるように制御されるので、燃料電池の停止時に、コンバータとインバータを確実にバランスさせて、燃料電池の電圧を確実に調整することができる。

上記のように構成した請求項１０に係る発明においては、請求項１乃至請求項９の何れか一項に係る発明において、コンバータは絶縁型であるので、コンバータへの突入電流を抑制しひいては燃料電池の過大な電流を抑制し、燃料電池のセルの劣化を抑制することができる。

以下、本発明による燃料電池システムの一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、補機用電源基板１８、改質器２１から構成されている。

燃料電池１１は、燃料（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を出力するものである。この燃料電池１１は、複数のセルの積層で形成されている。各セルは電気的に直列に接続されている。

改質器２１は、改質用燃料を水蒸気改質し、水素リッチな改質ガス（燃料）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。改質用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改質用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。電力負荷１９は、交流電源で駆動される負荷であり、例えばドライヤ、冷蔵庫、テレビなどの電化製品である。

補機１４は、改質器２１に改質用燃料、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に空気を供給するためのモータ駆動のポンプ、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電源基板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、ＤＣ／ＤＣコンバータ１５ａ、ＤＣ／ＡＣインバータ１５ｂ、系統連系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（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／ＤＣコンバータ１５ａは、燃料電池１１を運転させる補機１４に、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出力するものである。ＤＣ／ＤＣコンバータ１５ａは、例えばトランスを構成要素として構成され入力側と出力側が絶縁されている絶縁型であることが好ましい。

ＤＣ／ＡＣインバータ（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（例えば３５０Ｖ）を交流電圧（例えば２００Ｖ）に変換して電源ライン１３に出力し、かつ電源ライン１３からの交流電圧（例えば２００Ｖ）を所定の直流電圧（例えば３５０Ｖ）に変換して補機１４に出力するものである。すなわち、本発明のインバータは、直流を交流に変換する機能と、交流を直流に変換する機能とを有している。本実施の形態では、両機能を内蔵したＤＣ／ＡＣインバータ１５ｂを使用しているが、それぞれの機能を別の機器で構成するようにしてもよい。

系統連系インバータ制御装置１５ｃは、ＤＣ／ＤＣコンバータ１５ａ、ＤＣ／ＡＣインバータ１５ｂの駆動、インバータ接続器３１、系統接続器３３のオン・オフを制御するものである。この系統連系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、ＤＣ／ＡＣインバータ１５ｂの駆動、インバータ接続器３１、系統接続器３３のオン・オフを制御する。

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、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と系統連系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ＤＣ／ＡＣインバータ１５ｂに並列に設けられ、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。

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、補機用電源基板１８を制御したりする。燃料電池システム制御装置１７は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１５ａ、ＤＣ／ＡＣインバータおよび整流回路１６に接続されているので、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。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。

補機用電源基板１８は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１５ａ、ＤＣ／ＡＣインバータおよび整流回路１６に接続されているので、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。補機用電源基板１８は、燃料電池システム制御装置１７の指令によって制御されている。

さらに、燃料電池システムは、燃料電池１１とＤＣ／ＤＣコンバータ１５ａとの間に設けられたインバータ接続器３１、インバータ接続器３１とＤＣ／ＤＣコンバータ１５ａとの間に設けられた電圧計３２、およびＤＣ／ＡＣインバータ１５ｂと電源ライン１３との間に設けられた系統接続器３３をさらに備えている。

インバータ接続器３１は、燃料電池１１とＤＣ／ＤＣコンバータ１５ａとを連通・遮断（オン・オフ）するものであり、系統連系インバータ制御装置１５ｃに接続されその指示によってオン・オフ制御されるものである。系統接続器３３はＤＣ／ＡＣインバータ１５ｂと電源ライン１３とを連通・遮断（オン・オフ）するものであり、系統連系インバータ制御装置１５ｃに接続されその指示によってオン・オフ制御されるものである。電圧計３２は、燃料電池１１の出力電圧を測定するものであり、測定結果を接続されている系統連系インバータ制御装置１５ｃに出力している。

このように構成された燃料電池システムの第１および第２起動方法について説明する。まず、整流回路１６を通して系統電源１２からの電力で補給する第１起動方法について図２を参照して説明する。待機時には、インバータ接続器３１および系統接続器３３はオフしたままであるが、整流回路１６は系統電源１２に接続されているので、系統電源１２の電力は整流回路１６を通して燃料電池システム制御装置１７、補機用電源基板１８に供給されている。

図示しないスタートスイッチがオンされると、燃料電池システム制御装置１７は、燃料電池１１の発電準備をする。具体的には、燃料電池システム制御装置１７は、補機用電源基板１８を駆動させて、整流回路１６から供給される直流電圧を補機１４用電源電圧に変換して補機１４に電力を供給させる（ステップ１０２）。さらに、燃料電池システム制御装置１７は、燃料電池１１の発電に必要な補機１４を発電させるために動作させる（ステップ１０４）。例えば、改質用燃料、水（改質水）、空気（燃焼用空気、ＣＯ浄化用空気、燃料電池への空気）を供給するためのポンプや電磁弁を起動運転させる。

このような発電準備中（起動運転中）において、燃料電池システム制御装置１７は、発電準備が完了したか否かを判定する。この判定は、改質器２１の所定部位（ＣＯシフト部、ＣＯ選択酸化部内の温度）の温度の検出結果、改質器２１から導出される改質ガスの一酸化炭素濃度の検出結果などに基づいて行われ、その改質ガス中の一酸化炭素が燃料電池１１を被毒しない低濃度であれば発電準備が完了したと判定するものである。

発電準備が完了したと判定すると、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は、インバータ接続器３１をオンして（閉じて）燃料電池１１とＤＣ／ＤＣコンバータ１５ａを接続する（ステップ１０８）。発電準備が完了したと言っても、燃料電池１１の出力電圧は安定しておらず開回路電圧より低い電圧である。

そして、系統連系インバータ制御装置１５ｃは、電圧計３２により燃料電池１１の電圧を測定する（ステップ１１０）。系統連系インバータ制御装置１５ｃは、測定している燃料電池１１の電圧が燃料電池１１の開回路電圧（例えば４５Ｖ）より低くＤＣ／ＤＣコンバータ１５ａが動作可能な第１所定電圧（例えば３０Ｖ）に到達した場合、ＤＣ／ＤＣコンバータ１５ａの昇圧電圧を整流回路１６の出力電圧とバランスする電圧（例えば約２８１Ｖ）で作動させる（ステップ１１２）。このとき、燃料電池１１の電圧が開回路電圧とならないように制御する必要がある。これにより、燃料電池１１の出力電力は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１５ａおよび補機用電源基板１８を介して補機１４で消費される。なお、補機１４で電力を消費するとは、補機用電源基板１８がある場合には補機用電源基板１８で消費する電力も含む（つまり、補機の中に補機用電源基板１８が含まれる。）ことである。

さらに、系統連系インバータ制御装置１５ｃは、補機用電源基板１８と補機１４の使用電力から所定電力（例えば１０Ｗ）より低い電力が生成される（に変換される）ようにＤＣ／ＤＣコンバータ１５ａを作動させる（ステップ１１４）。このとき、設定される電力は、補機１４の使用電力を超えない範囲で可変に設定することができる。また、この設定される電力は燃料電池１１の電力が電源ライン１３に出ない電力である。さらに、使用電力と生成（変換）された電力との差分である補機用電源基板１８と補機１４に対する不足電力は、系統電源１２から整流回路１６を通して補充されるようになっている。

系統連系インバータ制御装置１５ｃは、燃料電池１１の電圧が安定するまでは、ステップ１１４，１１６を繰り返し、前述した制御を継続し、燃料電池１１の電圧が安定すると、ステップ１１６で「ＹＥＳ」と判定し、系統接続器３３をオンして（閉じて）ＤＣ／ＡＣインバータ１５ｂと電源ライン１３を接続する（ステップ１１８）。そして、系統連系インバータ制御装置１５ｃは、ＤＣ／ＡＣインバータ１５ｂを作動させ、燃料電池１１の電力をＤＣ／ＤＣコンバータ１５ａ、ＤＣ／ＡＣインバータ１５ｂを通して電力負荷１９に供給するようになっている。また、系統連系インバータ制御装置１５ｃは、ＤＣ／ＤＣコンバータ１５ａを通常の作動（定電流動作）で動作させる。

上述した第１起動方法によれば、燃料電池１１の起動時に、ＤＣ／ＤＣコンバータ１５ａは、該ＤＣ／ＤＣコンバータ１５ａで補機１４の使用電力より小さい電力を変換するとともにその差分である補機１４に対する不足電力は系統電源１２から整流回路１６を通して補充されるように制御されるので、燃料電池１１の起動時に、ＤＣ／ＤＣコンバータ１５ａと整流回路１６を確実にバランスさせて、燃料電池１１の電圧を確実に調整することができる。なお、「その差分」とは、補機１４の使用電力とＤＣ／ＤＣコンバータ１５ａで変換された電力の差のことである。

次に、ＤＣ／ＡＣインバータ１５ｂを通して系統電源１２からの電力で補給する第２起動方法について図３を参照して説明する。上述した第１起動方法との相違点のみを説明する。第２起動方法においては、上記ステップ１０２の処理、ステップ１１２の処理、ステップ１１８，１２０の処理に代えて、図３のステップ２０２の処理、ステップ２０４の処理、ステップ２０６の処理を実施する。

ステップ２０２では、系統連系インバータ制御装置１５ｃは、系統接続器３３をオンして（閉じて）ＤＣ／ＡＣインバータ１５ｂと電源ライン１３を接続し、ＤＣ／ＡＣインバータ１５ｂを作動させ（ＰＦＣ動作）、上記ステップ１０２と同様に、燃料電池システム制御装置１７は、補機用電源基板１８を駆動させて、ＤＣ／ＡＣインバータ１５ｂから供給される直流電圧を補機１４用電源電圧に変換して補機１４に電力を供給させ、燃料電池１１の発電準備をする。

ステップ２０４では、系統連系インバータ制御装置１５ｃは、測定している燃料電池１１の電圧が第１所定電圧（例えば３０Ｖ）に到達した場合、ＤＣ／ＤＣコンバータ１５ａの昇圧電圧をＤＣ／ＡＣインバータ１５ｂの出力電圧とバランスする電圧（例えば約ＤＣ３５０Ｖ）で作動させる。この場合、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整流回路１６を通して電力は供給されない。このとき、燃料電池１１の電圧が開回路電圧とならないように制御する必要がある。これにより、燃料電池１１の出力電力は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１５ａおよび補機用電源基板１８を介して補機１４で消費される。

さらに、系統連系インバータ制御装置１５ｃは、補機用電源基板１８と補機１４の使用電力から所定電力（例えば１０Ｗ）より低い電力が生成される（に変換される）ようにＤＣ／ＤＣコンバータ１５ａを作動させる（ステップ１１４）。これにより、使用電力と生成（変換）された電力との差分である補機用電源基板１８と補機１４に対する不足電力は、系統電源１２からＤＣ／ＡＣインバータ１５ｂを通して補充されるようになっている。

ステップ２０６では、系統連系インバータ制御装置１５ｃは、燃料電池１１の電圧が安定すると、ＤＣ／ＤＣコンバータ１５ａを通常の作動で動作させる。

上述した第２起動方法によれば、燃料電池１１の起動時に、ＤＣ／ＤＣコンバータ１５ａは、該ＤＣ／ＤＣコンバータ１５ａで補機１４の使用電力より小さい電力を変換するとともにその差分である補機１４に対する不足電力は系統電源１２からＤＣ／ＡＣインバータ１５ｂを通して補充されるように制御されるので、燃料電池１１の起動時に、ＤＣ／ＤＣコンバータ１５ａとＤＣ／ＡＣインバータ１５ｂを確実にバランスさせて、燃料電池１１の電圧を確実に調整することができる。なお、「その差分」とは、補機１４の使用電力とＤＣ／ＤＣコンバータ１５ａで変換された電力の差のことである。

また、上述した第１および第２起動方法において、燃料電池１１の電圧が該燃料電池１１の開回路電圧より低い第１所定電圧に達した場合、ＤＣ／ＤＣコンバータ１５ａはその作動が開始されるので、起動時に開回路電圧ほど高くない電圧を燃料電池１１に発生させないので、セルの劣化を抑制することができる。

次に、燃料電池システムの第１〜第３停止方法について説明する。まず、整流回路１６を通して系統電源１２からの電力で補給する第１停止方法について図４を参照して説明する。発電中の燃料電池システムが停止指示されると、燃料電池システム制御装置１７は、燃料電池１１の発電停止をする。具体的には、燃料電池システム制御装置１７の指令によって系統連系インバータ制御装置１５ｃは、オン状態（閉状態）である系統接続器３３をオフしてＤＣ／ＡＣインバータ１５ｂと電源ライン１３との接続を遮断する（ステップ３０２）。これにより、電源ライン１３は整流回路１６を介して燃料電池システム制御装置１７、補機用電源基板１８、インバータ用電源ＤＣ／ＤＣコンバータ１５ｄと接続され、系統電源１２からの電力が整流回路１６のみを介して補機用電源基板１８ひいては補機１４に供給される。

さらに、燃料電池システム制御装置１７は、燃料電池１１への燃料の供給を停止する（ステップ３０６）。具体的には、燃料電池システム制御装置１７は、燃料電池１１の発電のために動作されている補機１４の駆動を停止する。すなわち、改質用燃料、水（改質水）、空気（燃焼用空気、ＣＯ浄化用空気、燃料電池への空気）を供給するためのポンプの運転を停止したり電磁弁（常閉型）を非通電したりする。

このように停止運転中において、系統電源１２からの電力がＤＣ／ＡＣインバータ１５ｂを通って供給されるのが規制されるとともに、燃料電池１１からの電力がＤＣ／ＤＣコンバータ１５ａを通って供給されるのが許容される。すなわち、燃料電池１１の電力がＤＣ／ＤＣコンバータ１５ａ以降の負荷である燃料電池システム制御装置１７、補機用電源基板１８、補機１４で消費される。これにより、燃料電池１１に残っている燃料（または改質器２１に残っている改質ガス）が消費される。この消費により燃料電池１１の出力電圧は低下する。

系統連系インバータ制御装置１５ｃは、電圧計３２により燃料電池１１の電圧を測定している。停止運転開始直後においては、その測定電圧が第１所定電圧より高い第２所定電圧（例えば４５Ｖ）以上であるので、系統連系インバータ制御装置１５ｃは、ＤＣ／ＤＣコンバータ１５ａの昇圧電圧を整流回路１６の出力電圧とバランスする電圧（例えば約２８１Ｖ）で作動させる（ステップ３１０）。このとき、燃料電池１１の電圧が開回路電圧とならないように制御する必要がある。これにより、燃料電池１１の出力電力は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１５ａおよび補機用電源基板１８を介して補機１４で消費される。さらに、燃料電池１１の測定電圧が第１所定電圧（例えば３０Ｖ）以下となるまで（ステップ３１２で「ＮＯ」と判定し続ける）、系統連系インバータ制御装置１５ｃは、補機用電源基板１８と補機１４の使用電力から所定電力（例えば１０Ｗ）より低い電力が生成される（に変換される）ようにＤＣ／ＤＣコンバータ１５ａを作動させる（ステップ３１０）。このとき、設定される電力は、補機１４の使用電力を超えない範囲で可変に設定することができる。また、この設定される電力は燃料電池１１の電力が電源ライン１３に出ない電力である。さらに、使用電力と生成（変換）された電力との差分である補機用電源基板１８と補機１４に対する不足電力は、系統電源１２から整流回路１６を通して補充されるようになっている。

また、燃料電池１１の測定電圧が第１所定電圧（例えば３０Ｖ）以下となると（ステップ３１２で「ＹＥＳ」と判定する）、系統連系インバータ制御装置１５ｃは、ＤＣ／ＤＣコンバータ１５ａをオフする（ステップ３１４）。あるいはＤＣ／ＤＣコンバータ１５ａの出力を非常に小さくなるようにしてもよい。

このようにＤＣ／ＤＣコンバータ１５ａがオフあるいは出力を減少されると、燃料電池１１の電力が消費されないので、燃料電池１１の電圧が上昇する。燃料電池１１の測定電圧が第２所定電圧（例えば４５Ｖ）未満である場合、すなわち第２所定電圧（例えば４５Ｖ）以上となるまで（ステップ３０８で「ＮＯ」と判定し続ける）、系統連系インバータ制御装置１５ｃはＤＣ／ＤＣコンバータ１５ａのオフ状態を継続する。

再び、燃料電池１１の測定電圧が第２所定電圧（例えば４５Ｖ）以上となると（ステップ３０８で「ＹＥＳ」と判定する）、上述したステップ３１０の処理を実施してＤＣ／ＤＣコンバータ１５ａを作動させ、燃料電池１１の電力を補機用電源基板１８、補機１４で消費させる。なお、ＤＣ／ＤＣコンバータ１５ａをオフしている間は、系統電源１２からの電力を整流回路１６を通して供給している。このように、上述したステップ３０８〜３１４の処理を燃料電池１１の測定電圧に基づいて実施して燃料電池１１に残った燃料を発電で確実に消費させることができる。

上述した第１停止方法によれば、燃料電池１１の停止時に、ＤＣ／ＤＣコンバータ１５ａは、該ＤＣ／ＤＣコンバータ１５ａで補機１４の使用電力より小さい電力を変換するとともにその差分である補機１４に対する不足電力は系統電源１２から整流回路１６を通して補充されるように制御されるので、燃料電池１１の停止時に、ＤＣ／ＤＣコンバータ１５ａと整流回路１６を確実にバランスさせて、燃料電池１１の電圧を確実に調整することができる。なお、「その差分」とは、補機１４の使用電力とＤＣ／ＤＣコンバータ１５ａで変換された電力の差のことである。

次に、ＤＣ／ＡＣインバータ１５ｂを通して系統電源１２からの電力で補給する第２停止方法について図５を参照して説明する。上述した第１停止方法との相違点のみを説明する。第２停止方法においては、上記ステップ３０２、３０４を削除し、系統接続器３３およびＤＣ／ＡＣインバータ１５ｂをオンしたままにしておき、燃料電池１１への燃料をオフして燃料電池１１の発電を停止する。そして、上記ステップ３１０の処理に代えて、図５のステップ４０２の処理を実施する。

ステップ４０２では、系統連系インバータ制御装置１５ｃは、ＤＣ／ＤＣコンバータ１５ａの昇圧電圧をＤＣ／ＡＣインバータ１５ｂの出力電圧とバランスする電圧（例えば約３５０Ｖ）で作動させる。このとき、燃料電池１１の電圧が開回路電圧とならないように、ＤＣ／ＤＣコンバータ１５ａを動かして電力を消費することにより制御する必要がある。これにより、燃料電池１１の出力電力は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１５ａおよび補機用電源基板１８を介して補機１４で消費される。さらに、系統連系インバータ制御装置１５ｃは、補機用電源基板１８と補機１４の使用電力から所定電力（例えば１０Ｗ）より低い電力が生成される（に変換される）ようにＤＣ／ＤＣコンバータ１５ａを作動させる。このとき、設定される電力は、補機１４の使用電力を超えない範囲で可変に設定することができる。また、この設定される電力は燃料電池１１の電力が電源ライン１３に出ない電力である。さらに、使用電力と生成（変換）された電力との差分である補機用電源基板１８と補機１４に対する不足電力は、系統電源１２からＤＣ／ＡＣインバータ１５ｂを通して補充されるようになっている。

上述した第２停止方法によれば、燃料電池１１の停止時に、ＤＣ／ＤＣコンバータ１５ａは、該ＤＣ／ＤＣコンバータ１５ａで補機１４の使用電力より小さい電力を変換するとともにその差分である補機１４に対する不足電力は系統電源１２からＤＣ／ＡＣインバータ１５ｂを通して補充されるように制御されるので、燃料電池１１の停止時に、ＤＣ／ＤＣコンバータ１５ａとＤＣ／ＡＣインバータ１５ｂを確実にバランスさせて、燃料電池１１の電圧を確実に調整することができる。なお、「その差分」とは、補機１４の使用電力とＤＣ／ＤＣコンバータ１５ａで変換された電力の差のことである。

さらに、燃料電池１１からの電力をＤＣ／ＤＣコンバータ１５ａを通して補機１４で消費させるとともにＤＣ／ＤＣコンバータ１５ａおよびＤＣ／ＡＣインバータ１５ｂを通して電力負荷１９で消費させる第３停止方法について図６を参照して説明する。上述した第２停止方法との相違点のみを説明する。第３停止方法においては、上記ステップ４０２の処理に代えて、図６のステップ５０２の処理を実施する。

上述した各起動および停止方法においては、ＤＣ／ＡＣインバータ１５ｂを入力した交流電力を直流電力に変換して出力するために使用したが、本第３停止方法においては、入力した直流電力を交流電力に変換して出力するために使用している。

ステップ５０２では、系統連系インバータ制御装置１５ｃは、ＤＣ／ＤＣコンバータ１５ａの昇圧電圧をＤＣ／ＡＣインバータ１５ｂの入力電圧とバランスする電圧（例えば約３５０Ｖ）で作動させる。さらに、系統連系インバータ制御装置１５ｃは、放電させたい電力が生成される（に変換される）ようにＤＣ／ＤＣコンバータ１５ａを作動させる。このとき、補機１４での使用電力より多い余剰電力はＤＣ／ＡＣインバータ１５ｂを通して電力負荷１９に供給されて消費される。なお、補機１４の使用電力を燃料電池システム制御装置１７によって調整するようにしてもよい。

上述した第３停止方法によれば、ＤＣ／ＤＣコンバータ１５ａからの直流電圧を補機１４で消費させるとともに、ＤＣ／ＤＣコンバータ１５ａからの直流電圧をＤＣ／ＡＣインバータ１５ｂを介して電力負荷（交流負荷）１９で消費させるので、従来技術のように専用の抵抗を別に設けないで低コストにて燃料電池１１からの電力を確実に消費することができる。

さらに、燃料電池１１の停止時に、ＤＣ／ＤＣコンバータ１５ａは、該ＤＣ／ＤＣコンバータ１５ａで補機１４の使用電力より大きい電力を変換するとともにその差分である補機１４に対する余剰電力はＤＣ／ＡＣインバータ１５ｂを通して電力負荷（交流負荷）１９に供給されるように制御されるので、燃料電池１１の停止時に、ＤＣ／ＤＣコンバータ１５ａとＤＣ／ＡＣインバータ１５ｂを確実にバランスさせて、燃料電池１１の電圧を確実に調整することができる。なお、「その差分」とは、補機１４の使用電力とＤＣ／ＤＣコンバータ１５ａで変換された電力の差のことである。

上述した説明から明らかなように、本実施形態においては、燃料電池１１の起動および停止時に、燃料電池１１を運転させる補機１４に燃料電池１１からの直流電圧を所定の直流電圧に変換して出力する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し、かつ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ＤＣ／ＡＣインバータ１５ｂ、または電源ライン１３と補機１４との間にＤＣ／ＡＣインバータ１５ｂに並列に設けられ電源ライン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に供給可能である整流回路１６をバランスさせて、燃料電池１１の電圧を調整する。これにより、燃料電池１１で消費される電力（電圧）を任意に設定できるので、起動および停止時に燃料電池１１で消費される電力（電圧）を必要に応じて極力低く抑制し、セルの劣化を抑制することができる。

また、ＤＣ／ＤＣコンバータ１５ａ、ＤＣ／ＡＣインバータ１５ｂおよび整流回路１６の少なくともいずれ一からの直流電圧を補機用電源基板１８で消費させるので、従来技術のように専用の抵抗を別に設けないで低コストにて燃料電池１１からの電力を確実に消費することができる。

また、ＤＣ／ＤＣコンバータ１５ａ、ＤＣ／ＡＣインバータ１５ｂおよび整流回路１６の少なくともいずれ一からの直流電圧を補機１４で消費させるので、従来技術のように専用の抵抗を別に設けないでより低コストにて燃料電池１１からの電力をより確実に消費することができる。

また、ＤＣ／ＤＣコンバータ１５ａは絶縁型であるので、ＤＣ／ＤＣコンバータ１５ａへの突入電流を抑制しひいては燃料電池１１の過大な電流を抑制し、燃料電池１１のセルの劣化を抑制することができる。

なお、本発明は、燃料電池１１の燃料極にメタノールなどの燃料を直接供給して発電させるタイプの燃料電池システムに適用可能である。

本発明による燃料電池システムの一実施形態の構成を示す構成ブロック図である。 図１に示す系統連系インバータ制御装置および／または燃料電池システム制御装置にて実行される、第１起動方法の制御プログラムのフローチャートである。 図１に示す系統連系インバータ制御装置および／または燃料電池システム制御装置にて実行される、第２起動方法の制御プログラムのフローチャートである。 図１に示す系統連系インバータ制御装置および／または燃料電池システム制御装置にて実行される、第１停止方法の制御プログラムのフローチャートである。 図１に示す系統連系インバータ制御装置および／または燃料電池システム制御装置にて実行される、第２停止方法の制御プログラムのフローチャートである。 図１に示す系統連系インバータ制御装置および／または燃料電池システム制御装置にて実行される、第３停止方法の制御プログラムのフローチャートである。

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補機用電源基板、１９…電力負荷、２１…改質器、３１…インバータ接続器、３２…電圧計、３３…系統接続器。

Claims (10)

1. 燃料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、
   前記燃料電池を運転させる補機に、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出力するコンバータと、
   前記コンバータ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し、かつ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インバータと、
   前記電源ラインと前記補機との間に前記インバータに並列に設けられ、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、を備えた燃料電池システムであって、
   前記燃料電池の起動および停止時に、前記コンバータと前記整流回路または前記インバータをバランスさせて、前記燃料電池の電圧を調整する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、前記コンバータ、前記インバータおよび前記整流回路の少なくともいずれ一からの直流電圧を前記補機で消費させることを特徴とする燃料電池システム。
3. 請求項２において、前記燃料電池の起動時に、前記コンバータは、該コンバータで前記補機の使用電力より小さい電力を変換するとともにその差分である前記補機に対する不足電力は前記系統電源から前記整流回路を通して補充されるように制御されることを特徴とする燃料電池システム。
4. 請求項２において、前記燃料電池の起動時に、前記コンバータは、該コンバータで前記補機の使用電力より小さい電力を変換するとともにその差分である前記補機に対する不足電力は前記系統電源から前記インバータを通して補充されるように制御されることを特徴とする燃料電池システム。
5. 請求項３または請求項４において、前記燃料電池の電圧が該燃料電池の開回路電圧より低い第１所定電圧に達した場合、前記コンバータはその作動が開始されることを特徴とする燃料電池システム。
6. 請求項２において、前記燃料電池の停止時に、前記コンバータは、該コンバータで前記補機の使用電力より小さい電力を変換するとともにその差分である前記補機に対する不足電力は前記系統電源から前記整流回路を通して補充されるように制御されることを特徴とする燃料電池システム。
7. 請求項２において、前記燃料電池の停止時に、前記コンバータは、該コンバータで前記補機の使用電力より小さい電力を変換するとともにその差分である前記補機に対する不足電力は前記系統電源から前記インバータを通して補充されるように制御されることを特徴とする燃料電池システム。
8. 請求項１において、前記系統電源に前記電源ラインを介して接続されている交流負荷をさらに備え、
   前記コンバータからの直流電圧を前記補機で消費させるとともに、前記コンバータからの直流電圧を前記インバータを介して前記交流負荷で消費させることを特徴とする燃料電池システム。
9. 請求項８において、前記燃料電池の停止時に、前記コンバータは、該コンバータで前記補機の使用電力より大きい電力を変換するとともにその差分である前記補機に対する余剰電力は前記インバータを通して前記交流負荷に供給されるように制御されることを特徴とする燃料電池システム。
10. 請求項１乃至請求項９の何れか一項において、前記コンバータは絶縁型であることを特徴とする燃料電池システム。
    

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