JP2010246228A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】直流交流変換手段の出力端にて線間過電圧を検出した場合に、直流交流変換手段の内部回路素子の破壊を防止できる燃料電池システムを提供する。
【解決手段】燃料電池１１による直流電力を交流電力に変換する直流交流変換手段１２の出力の線間過電圧を検出する線間過電圧検出手段１５と、線間過電圧検出手段１５が線間過電圧を検出したことを検知すると運転制御手段１４からの信号がなくても直流交流変換手段１２の動作を緊急停止させる直流交流変換出力緊急停止手段１６を備えたので、直流交流変換手段１２の出力端にて線間過電圧を検出した場合に、直ちに直流交流変換手段１２の出力を緊急停止して、過電圧を一定電圧以下に抑え、直流交流変換手段１２の内部回路素子の破壊を防止することができ、継続した安全な発電制御を行うことができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池の発電による直流電力を交流電力に変換する直流交流変換手段を備えた燃料電池システムに関するものである。

従来の燃料電池システムとしては、交流電力出力波形計測手段により、直流交流変換手段の出力波形を逐一計測し、直流交流変換手段の故障診断をする燃料電池システムがあった（例えば、特許文献１参照）。

以下、図１３を参照しながら上記従来の燃料電池システムを説明する。図１３は、特許文献１に記載された従来の燃料電池システムの構成を示すものである。

図１３において、都市ガスのようなメタン等の炭化水素を含む燃料を原料として燃料電池１で発電が行われる。直流交流変換手段２は、燃料電池１からの直流電力を交流電力に変換し、商用電源とともに家庭内負荷３に交流電力を供給する。運転制御手段４は、起動から発電までの一連の動作を制御する。また交流電力出力波形計測手段５は、直流交流変換手段２の出力端に接続され、直流交流変換手段２より出力される交流電力の出力電流波形および商用電源での電圧波形を計測する。

ここで運転制御手段４は、交流電力出力波形計測手段５により直流交流変換手段２より出力される交流電力の出力波形を逐一計測し、商用電源の電圧波形が正常であるのに出力電流波形が異常である場合は、直流交流変換手段２の内部回路の故障と判断していた。

特開２００６−３１０１１６号公報

しかしながら、上記従来の構成では、商用電源の電圧波形を参照しながら、直流交流変換手段２の出力電流波形が異常であるかどうかを検知しているだけであるので、何らかの原因により漏電遮断器等の開閉手段が作動して、出力端が開放状態となったとき、直流交流変換手段２の出力エネルギーの行先がなくなり、出力端にて過電圧が発生し、直流交流変換手段２の内部回路素子の端子電圧が耐圧以上に上昇すれば内部回路素子が破壊されるという課題を有していた。

本発明は、上記従来の課題を解決するもので、直流交流変換手段の出力端にて線間過電圧を検出した場合に、直流交流変換手段の内部回路素子の破壊を防止できる燃料電池システムを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の燃料電池システムは、直流交流変換手段の出力の線間過電圧を検出する線間過電圧検出手段と、前記線間過電圧検出手段が前記線間過電圧を検出したことを検知すると運転制御手段からの信号がなくても前記直流交流変換手段の動作を緊急停止させる直流交流変換出力緊急停止手段を備えたのである。

上記構成において、直流交流変換手段の出力に過電圧が発生すると、線間過電圧検出手段が直流交流変換手段の出力の線間過電圧を検出し、線間過電圧検出手段が直流交流変換手段の出力の線間過電圧を検出すると、線間過電圧検出手段による線間過電圧の検出を直流交流変換出力緊急停止手段が検知して直流交流変換手段の動作を緊急停止させる。

このとき、直流交流変換出力緊急停止手段による直流交流変換手段の動作の緊急停止は、運転制御手段からの信号がなくても行われるので、運転制御手段からの信号を受けてから直流交流変換手段の動作の緊急停止を行う場合よりも早く直流交流変換手段の動作の緊急停止できる。

これにより、直流交流変換手段の出力端にて線間過電圧を検出した場合に、直ちに直流交流変換手段の出力を緊急停止して、過電圧を一定電圧以下に抑え、直流交流変換手段の内部回路素子の破壊を防止することができる。

本発明の燃料電池システムによれば、直流交流変換手段の出力端にて線間過電圧が発生した場合でも、運転制御手段からの信号を待たずに、直ちに直流交流変換手段の出力を緊急停止するので、過電圧を一定電圧以下に抑えることができ、直流交流変換手段の内部回路素子の破壊を防止することが可能となる。

本発明の実施の形態１における燃料電池システムの構成を示すブロック図 同実施の形態の燃料電池システムにおける直流交流変換回路のインバータとその周辺の構成を示す回路図 同実施の形態の燃料電池システムにおける直流交流変換手段の出力端の線間電圧波形の一例を示すタイミングチャート 同実施の形態の燃料電池システムにおける線間過電圧検出手段の内部構成を示す構成図 同実施の形態の燃料電池システムにおける線間過電圧検出手段を運転制御手段で制御するように構成した場合の内部構成を示す構成図 本発明の実施の形態２における燃料電池システムの構成を示すブロック図 同実施の形態の燃料電池システムにおける直流交流変換回路のインバータとその周辺の構成を示す回路図 同実施の形態の燃料電池システムにおける直流交流変換手段の出力過電流波形の例を示す特性図 本発明の実施の形態３における燃料電池システムの構成を示すブロック図 同実施の形態の燃料電池システムにおける直流交流変換回路のインバータとその周辺の構成を示す回路図 本発明の実施の形態４における燃料電池システムの構成を示すブロック図 同実施の形態の燃料電池システムにおける直流交流変換回路のインバータとその周辺の構成を示す回路図 従来の燃料電池システムの構成を示すブロック図

第１の発明は、直流の発電を行う燃料電池と、前記燃料電池による直流電力を交流電力に変換する直流交流変換手段と、前記直流交流変換手段の出力の線間過電圧を検出する線間過電圧検出手段と、前記直流交流変換手段の動作を緊急停止させる直流交流変換出力緊急停止手段と、前記燃料電池と前記直流交流変換手段と前記線間過電圧検出手段と前記直流交流変換出力停止緊急手段とに接続され前記燃料電池と前記直流交流変換手段の制御を行う運転制御手段とを備え、前記直流交流変換出力緊急停止手段は、前記線間過電圧検出手段が前記線間過電圧を検出したことを検知すると前記運転制御手段からの信号がなくても前記直流交流変換手段の動作を緊急停止させるものである。

上記構成において、直流交流変換手段の出力に過電圧が発生すると、線間過電圧検出手段が直流交流変換手段の出力の線間過電圧を検出し、線間過電圧検出手段が直流交流変換手段の出力の線間過電圧を検出すると、線間過電圧検出手段による線間過電圧の検出を直流交流変換出力緊急停止手段が検知して直流交流変換手段の動作を緊急停止させる。

このとき、直流交流変換出力緊急停止手段による直流交流変換手段の動作の緊急停止は、運転制御手段からの信号がなくても行われるので、運転制御手段からの信号を受けてから直流交流変換手段の動作の緊急停止を行う場合よりも早く直流交流変換手段の動作の緊急停止できる。

これにより、直流交流変換手段の出力端にて線間過電圧を検出した場合に、直ちに直流交流変換手段の出力を緊急停止して、過電圧を一定電圧以下に抑え、直流交流変換手段の内部回路素子の破壊を防止することができる。

第２の発明は、特に、第１の発明における前記線間過電圧検出手段が、２００Ｖ系と１００Ｖ系の両方で線間の電圧を計測し、２００Ｖ系と１００Ｖ系のどちらか一方でも線間過電圧を検出すると、線間過電圧の検出を知らせる信号を出力するものである。

上記構成により、線間電圧がアンバランスとなっていた場合、２００Ｖ系の線間電圧では検出できない場合でも、１００Ｖ系での線間電圧の検出により過電圧として検出することができ、２００Ｖ系と１００Ｖ系のどちらか一方でも線間過電圧を検出すると、線間過電圧の検出を知らせる信号を出力するので、より早く検出することが可能となり、直流交流変換手段の内部回路素子の破壊を未然に防止することができる。

第３の発明は、特に、第１または第２の発明における前記線間過電圧検出手段が、ノイズによる誤検出を防止するためのノイズ除去フィルタを介して線間の電圧を計測するものである。

上記構成により、線間過電圧検出手段が、ノイズによる誤検出する可能性を少なくでき、ノイズがあっても線間の過電圧をより正確に検出でき、ノイズに対する信頼性が高い燃料電池システムにすることができる。

第４の発明は、特に、第３の発明における前記運転制御手段が、前記ノイズ除去フィルタのフィルタ定数を設定するものである。

上記構成により、ノイズによる誤動作しないよう、線間過電圧検出手段の環境や状況に応じて、定数を自由に選定できるようになるので、よりノイズに強い燃料電池システムにすることができる。

第５の発明は、特に、第１から４の発明に加えて、前記運転制御手段に接続されると共に前記直流交流変換手段の出力の過電流を検出する過電流検出手段を備え、前記直流交流変換出力緊急停止手段が、前記過電流検出手段が前記過電流を検出したことを検知すると前記運転制御手段からの信号がなくても前記直流交流変換手段の動作を緊急停止させるものである。

上記構成において、直流交流変換手段の出力に過電流が発生すると、過電流検出手段が直流交流変換手段の出力の過電流を検出し、過電流検出手段が直流交流変換手段の出力の過電流を検出すると、過電流検出手段による過電流の検出を直流交流変換出力緊急停止手段が検知して直流交流変換手段の動作を緊急停止させる。

このとき、直流交流変換出力緊急停止手段による直流交流変換手段の動作の緊急停止は、運転制御手段からの信号がなくても行われるので、運転制御手段からの信号を受けてから直流交流変換手段の動作の緊急停止を行う場合よりも早く直流交流変換手段の動作の緊急停止できる。

これにより、線間過電圧検出手段により直流交流変換手段の出力端の過電圧を検出した場合と同様に、直流交流変換手段の出力に過電流を検出した場合に、直ちに直流交流変換手段の出力を緊急停止して、過電圧を一定電圧以下に抑え、直流交流変換手段の内部回路素子の破壊を防止することができる。

また、直流交流変換出力緊急停止手段を、過電圧の場合と過電流の場合の両方で機能させることにより、直流交流変換出力緊急停止手段の回路を共用化することができ、共用部品のコストダウンを図ることが可能となる。

第６の発明は、特に、第１から４の発明に加えて、異常報知手段を備え、前記運転制御手段が、前記線間過電圧検出手段が前記線間過電圧を検出したことを検知もしくは前記線間過電圧により前記直流交流変換出力緊急停止手段が前記直流交流変換手段の動作を緊急停止させたことを検知すると、前記異常報知手段により前記線間過電圧の異常を報知するものである。

上記構成により、線間過電圧により直流交流変換出力緊急停止手段が直流交流変換手段の動作を緊急停止させた場合に、異常報知手段が線間過電圧の異常を報知するので、燃料電池システムが出力停止したことと、停止の原因が線間過電圧の異常であることを、報知（または表示）により、知らせることができ、過電圧により直流交流変換出力緊急停止手段が直流交流変換手段の動作を緊急停止させた場合の、サービスマンへの連絡とサービスマンの作業の対応が、容易に、早くできる。

第７の発明は、特に、第５の発明に加えて、異常報知手段を備え、前記運転制御手段が、前記線間過電圧検出手段が前記線間過電圧を検出したことを検知もしくは前記線間過電圧により前記直流交流変換出力緊急停止手段が前記直流交流変換手段の動作を緊急停止させたことを検知すると、前記異常報知手段により前記線間過電圧の異常を報知し、前記過電流検出手段が前記過電流を検出したことを検知もしくは前記過電流により前記直流交流変換出力緊急停止手段が前記直流交流変換手段の動作を緊急停止させたことを検知すると、前記異常報知手段により前記過電流の異常を報知するものである。

上記構成により、第６の発明の作用効果に加えて、過電流により直流交流変換出力緊急停止手段が直流交流変換手段の動作を緊急停止させた場合に、異常報知手段が過電流の異常を報知するので、燃料電池システムが出力停止したことと、停止の原因が過電流の異常であることを、報知（または表示）により、知らせることができ、過電流により直流交流変換出力緊急停止手段が直流交流変換手段の動作を緊急停止させた場合の、サービスマンへの連絡とサービスマンの作業の対応が、容易に、早くできる。

また、線間過電圧検出、過電流検出のいずれの場合においても、区別して報知することにより、異常報知手段を共用して使用することが可能となり、停止した原因が過電圧であるのか過電流であるのかをサービスマンあるいは使用者に的確に伝えることができる。

以下、本発明の実施の形態の燃料電池システムについて図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって本発明がげんていされるものではない。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における燃料電池システムの構成を示すものである。図１において、都市ガスのようなメタン等の炭化水素を含む燃料を原料として燃料電池１１で直流発電が行われる。直流交流変換手段１２は、燃料電池１１からの直流電力を交流電力に変換し、商用電源とともに家庭内負荷１３に交流電力を供給する。

線間過電圧検出手段１５は、直流交流変換手段１２の出力端に接続され、出力端での線間過電圧を検出するものである。

直流交流変換出力緊急停止手段１６は、線間過電圧検出手段１５が直流交流変換手段１２の出力端での線間過電圧を検出すると、直流交流変換手段１２のインバータドライブ回路に直接信号を送ることにより、直流交流変換手段１２の出力を緊急停止して、線間電圧を一定電圧以下に抑えるようにするものである。

運転制御手段１４は、燃料電池１１と直流交流変換手段１２と線間過電圧検出手段１５と直流交流変換出力停止緊急手段１６とに接続され、燃料電池１１と直流交流変換手段１２の制御を行う。

開閉手段１７は、直流交流変換手段１２の出力端に接続され、出力端の開閉動作を行う。例えば、開閉手段１７として漏電遮断器等があり、漏電等の何らかの原因により作動して、遮断することにより、直流交流変換手段１２の内部回路すなわち燃料電池システムに大電流が流れることを防止する。

ここで、直流交流変換出力緊急停止手段１６は、線間過電圧検出手段１５が線間過電圧を検出したことを検知すると、運転制御手段１４からの信号がなくても直流交流変換手段１２の動作を緊急停止させる。

図２は、直流交流変換手段１２内の後段のインバータとその周辺の構成を示すものである。インバータは、主としてスイッチング素子Ａ〜Ｄのブリッジ回路により構成され、スイッチング素子はＦＥＴあるいはＩＧＢＴ等の大電流制御用半導体で構成される。

このスイッチング素子Ａ〜Ｄのブリッジ回路により、直流４００Ｖ程度の電力を交流２００Ｖに直流交流変換して、交流２００Ｖの電流を出力するものである。ここでは１０００Ｗ出力すると仮定した場合、交流２００Ｖの商用電源電圧に位相を同期させて、１０００Ｗ÷２００Ｖ＝５Ａ程度の交流電流を出力することになる。

通常時のインバータ出力制御動作としては、素子Ａと素子ＤがＯＮしたとき、交流正弦波形の最初の半周期分、上半分（半波）が出力され、素子Ｂと素子ＣがＯＮしたとき、交流正弦波形の残りの半周期分、下半分（半波）が出力されることになる。

この素子Ａ〜ＤをＯＮ／ＯＦＦする制御は、運転制御手段１４により、ドライブ信号発生回路からのドライブ信号をインバータドライブ回路に出力することにより制御されることになる。

ここで、線間過電圧検出手段１５により、直流交流変換手段１２の出力端での線間過電圧を瞬時にハード的な処理により検出した場合、運転制御手段１４からの信号がなくても、つまり通常時の制御とは異なる信号経路である直流交流変換出力緊急停止手段１６によって、インバータドライブ回路にドライブ信号を出力することにより、インバータドライブ回路から素子Ａ〜Ｄのゲートに停止信号が出力され、ゲートブロックをかけることになり、スイッチング素子Ａ〜Ｄのブリッジ回路出力が停止するものである。この場合、検出後出力停止までの処理時間は、０．１〜数ｍｓ程度にて処理される。

このように直流交流変換手段１２自身は、運転制御手段１４からの通常ルートでの処理、ソフト的な通常のインバータドライブ出力停止では間に合わない可能性があるので、ハード的処理にてワンショットトリガ回路を介して、直流交流変換出力緊急停止手段１６により、強制的にインバータドライブ信号によりゲートブロックをかけて緊急出力停止するものである。

本実施の形態の燃料電池システムは、直流の発電を行う燃料電池１１と、燃料電池１１による直流電力を交流電力に変換する直流交流変換手段１２と、直流交流変換手段１２の出力の線間過電圧を検出する線間過電圧検出手段１５と、直流交流変換手段１２の動作を緊急停止させる直流交流変換出力緊急停止手段１６と、燃料電池１１と直流交流変換手段１２と線間過電圧検出手段１５と直流交流変換出力停止緊急手段１６とに接続され燃料電池１１と直流交流変換手段１２の制御を行う運転制御手段１４とを備え、直流交流変換出力緊急停止手段１６は、線間過電圧検出手段１５が線間過電圧を検出したことを検知すると運転制御手段１４からの信号がなくても直流交流変換手段１２の動作を緊急停止させるものである。

上記構成において、直流交流変換手段１２の出力に過電圧が発生すると、線間過電圧検出手段１５が直流交流変換手段１２の出力の線間過電圧を検出し、線間過電圧検出手段１５が直流交流変換手段１２の出力の線間過電圧を検出すると、線間過電圧検出手段１５による線間過電圧の検出を直流交流変換出力緊急停止手段１６が検知して直流交流変換手段１２の動作を緊急停止させる。

このとき、直流交流変換出力緊急停止手段１６による直流交流変換手段１２の動作の緊急停止は、運転制御手段１４からの信号がなくても行われるので、運転制御手段１４からの信号を受けてから直流交流変換手段１２の動作の緊急停止を行う場合よりも早く直流交流変換手段１２の動作の緊急停止できる。

これにより、直流交流変換手段１２の出力端にて線間過電圧を検出した場合に、直ちに直流交流変換手段１２の出力を緊急停止して、過電圧を一定電圧以下に抑え、直流交流変換手段１２の内部回路素子の破壊を防止することができる。

また、本実施の形態における線間過電圧検出手段１５は、２００Ｖ系と１００Ｖ系の両方で線間の電圧を計測し、２００Ｖ系と１００Ｖ系のどちらか一方でも線間過電圧を検出すると、線間過電圧の検出を知らせる信号を出力する。

図３は、開閉手段１７が遮断される時刻ｔａ前後での、Ｕ−Ｏ間の線間電圧Ｖ（Ｕ−Ｏ）およびＷ−Ｏ間での線間電圧Ｖ（Ｗ−Ｏ）、およびＵ−Ｗ間の線間電圧Ｖ（Ｕ−Ｗ）の電圧波形を示している。Ｖ（Ｕ−Ｏ）とＶ（Ｗ−Ｏ）は、それぞれ電圧が交流１００Ｖで、位相が互いに１８０°ずれており、合計でＶ（Ｕ−Ｗ）の交流２００Ｖとなり、単相３線交流２００Ｖの電圧を形成する。

通常、開閉手段１７がＯＮ状態のとき、Ｖ（Ｕ−Ｏ）とＶ（Ｗ−Ｏ）の各電圧波形は実効値が１００Ｖ程度で、ピーク値は±１００×√２＝±１４１Ｖ程度である。ここで、√２は、２の平方根、すなわち、二乗すると２になる数である。またＶ（Ｕ−Ｗ）の電圧波形は、実効値が２００Ｖ程度で、ピーク値は±２００×√２＝±２８２Ｖ程度である。

１００Ｖ系の線間電圧Ｖ（Ｕ−Ｏ）とＶ（Ｗ−Ｏ）は、理想的には同じ電圧値になるが、家庭内負荷での電力消費状態によりＶ（Ｕ−Ｏ）とＶ（Ｗ−Ｏ）の１００Ｖ系の線間電圧値がアンバランスになる場合が多い。これはＶ（Ｕ−Ｗ）の２００Ｖ系の合計の電圧を見ていても見かけ上アンバランスになっているかどうかは判別がつきにくい。

ここで、開閉手段１７が漏電等の何らかの原因により、時刻ｔａにて遮断した場合、直流交流変換手段１２の出力端が開放状態となり、家庭内負荷１３が直流交流変換手段１２の出力端から切り離されるので、直流交流変換手段１２の出力エネルギーの行き先がなくなり、出力端にて過電圧が発生し、過電圧がさらに直流交流変換手段１２の内部回路素子の耐圧以上に上昇すれば、内部回路素子が破壊される可能性がある。

そこで、線間過電圧検出手段１５により、直流交流変換手段１２の出力端での線間過電圧を検出する。

図３のＶ（Ｕ−Ｏ）とＶ（Ｗ−Ｏ）において、線間過電圧のリミット値Ｖ（＋）ｌｉｍｉｔおよびＶ（−）ｌｉｍｉｔを、回路素子の耐圧等から考慮して、±１００×√２×１５０％＝±２１２Ｖとする。そして線間過電圧検出手段１５での過電圧検出値を、通常ピーク値の±１４１Ｖおよび、リミット値Ｖ（＋）ｌｉｍｉｔ＝２１２Ｖ、Ｖ（−）ｌｉｍｉｔ＝−２１２Ｖから計算して、設計的に余裕をもたせて、ここではＶａｃを±１００×√２×１３０％±１０Ｖとする。

すなわちＶａｃ（＋）＞１９３Ｖ、Ｖａｃ（−）＜−１９３Ｖの場合に、線間過電圧検出手段１５は線間過電圧として検出するものである。

同様にＶ（Ｕ−Ｗ）の場合は、リミット値Ｖ（＋）ｌｉｍｉｔおよびＶ（−）ｌｉｍｉｔを±２００×√２×１５０％＝±４２４Ｖとする。そして線間過電圧検出手段１５での過電圧検出値Ｖａｃを±２００×√２×１３０％±１０Ｖとして、Ｖａｃ（＋）＞３７８Ｖ、Ｖａｃ（−）＜−３７８Ｖの場合に線間過電圧として検出するものとする。

このように、１００Ｖ系のＶ（Ｕ−Ｏ）とＶ（Ｗ−Ｏ）においても、２００Ｖ系のＶ（Ｕ−Ｗ）においても、どちらか一方でも線間過電圧を検出すると、たとえ線間電圧がアンバランスとなっていた場合でも、運転制御手段１４からの信号がなくても直流交流変換出力緊急停止手段１６により、検出後０．１〜数ｍｓ程度にて、直流交流変換手段１２の出力を緊急停止するものである。

さらに、線間過電圧を素早く減衰させる方法として、直流交流変換手段１２の出力端にＲ、Ｃ等による出力フィルタ（図示せず）を設けて放電させ、図３の波形に示すように、線間電圧を数十ｍｓ程度以下でゼロに減衰させるようフィルタの時定数τ＝Ｒ×Ｃに設定することも可能である。これにより内部回路素子への過電圧によるダメージをいち早く解消できるものである。

本実施の形態の燃料電池システムは、線間過電圧検出手段１５が、２００Ｖ系と１００Ｖ系の両方で線間の電圧を計測し、２００Ｖ系と１００Ｖ系のどちらか一方でも線間過電圧を検出すると、線間過電圧の検出を知らせる信号を出力するものである。

上記構成により、線間電圧がアンバランスとなっていた場合、２００Ｖ系の線間電圧では検出できない場合でも、１００Ｖ系での線間電圧の検出により過電圧として検出することができ、２００Ｖ系と１００Ｖ系のどちらか一方でも線間過電圧を検出すると、線間過電圧の検出を知らせる信号を出力するので、より早く検出することが可能となり、直流交流変換手段１２の内部回路素子の破壊を未然に防止することができる。

図４は、線間過電圧検出手段１５の内部構成を示している。線間過電圧検出手段１５は、ノイズ除去フィルタ１５ａとしてローパスフィルタを備え、線間電圧検出回路１５ｂへと出力する構成となっている。すなわち、線間過電圧検出手段１５は、ノイズによる誤検出を防止するためのノイズ除去フィルタ１５ａを介して線間電圧検出回路１５ｂが線間の電圧を計測する。

ノイズ除去フィルタ１５ａは、１μｓ程度のインパルスノイズのパルス幅に対しては誤動作（不要検知）しないように、ＲおよびＣ等を設定する。すなわち時定数τ＝Ｃ×Ｒを例えば１００μｓ程度に設定したローパスフィルタとする。これによりインパルスノイズ試験においても誤動作により不合格とならず、また一般的なノイズに対しても強い回路を構成できる。

本実施の形態の燃料電池システムは、線間過電圧検出手段１５が、ノイズによる誤検出を防止するためのノイズ除去フィルタ１５ａを介して線間の電圧を計測するので、線間過電圧検出手段１５が、ノイズによる誤検出する可能性を少なくでき、ノイズがあっても線間の過電圧をより正確に検出でき、ノイズに対する信頼性が高い燃料電池システムにすることができる。例えば、１μｓ程度のノイズに対しても誤動作しないような、ノイズに強い燃料電池システムにすることができる。

図５は、運転制御手段１４が、ノイズ除去フィルタ１５ａのフィルタ定数を設定可能にした線間過電圧検出手段１５の内部構成を示しており、この場合の運転制御手段１４は、ノイズ除去フィルタ１５ａのフィルタ定数を設定する。

運転制御手段１４は、ノイズ除去フィルタ１５ａを構成しているローパスフィルタの定数を、時定数τ＝Ｃ×Ｒの式により自由に設定可能とする。前述のような一義的な設定ではなく、あらゆるノイズのパルス幅に対応、誤動作しないようにできるようにするものである。

本実施の形態の燃料電池システムは、運転制御手段１４が、ノイズ除去フィルタ１５ａのフィルタ定数を設定するので、線間過電圧検出手段１５がノイズによる誤動作をしないよう、線間過電圧検出手段１５の環境や状況に応じて、定数を自由に選定できるようになるので、よりノイズに強い燃料電池システムにすることができる。

（実施の形態２）
図６は、本発明の実施の形態２における燃料電池システムの構成を示すものである。本実施の形態（図６）において、実施の形態１（図１）と同一構成については同一符号を用い、その詳細な説明は省略する。

図６において、過電流検出手段１８は、運転制御手段１４に接続され、直流交流変換手段１２の出力の過電流を検出するものである。そして過電流検出手段１８が過電流を検出した場合は、直流交流変換出力緊急停止手段１６に信号を送ることにより、直流交流変換手段１２のインバータドライブ回路に直接信号が送られ、直流交流変換手段１２の出力を緊急停止するものである。

直流交流変換出力緊急停止手段１６は、過電流検出手段１８が過電流を検出したことを検知すると、運転制御手段１４からの信号がなくても直流交流変換手段１２の動作を緊急停止させる。

図７は、図２に示された実施の形態１における直流交流変換回路１２のインバータとその周辺の構成に、さらに過電流検出手段１８からの信号経路が加わった、直流交流変換手段１２内の後段のインバータとその周辺の構成を示すものである。

本実施の形態のインバータの構成や通常時のインバータ出力制御動作は、実施の形態１と同様であるので、その説明は省略する。

ここで、過電流検出手段１８により、直流交流変換手段１２の出力の過電流を瞬時にハード的な処理により検出した場合、線間過電圧の場合と同様に、運転制御手段１４からの信号がなくても、つまり通常時の制御とは異なる信号経路である直流交流変換出力緊急停止手段１６によって、インバータドライブ回路にドライブ信号を出力することにより、インバータドライブ回路から素子Ａ〜Ｄのゲートに停止信号が出力され、ゲートブロックをかけることになり、スイッチング素子Ａ〜Ｄのブリッジ回路出力が停止するものである。この場合も、検出後出力停止までの処理時間は、０．１〜数ｍｓ程度にて処理される。

また、ここで、過電流検出手段１８による直流交流変換手段１２の出力過電流検出方法について述べる。図８の電流波形は、直流交流変換手段１２からの出力過電流波形を示す。

さらに、ここで通常の出力電流Ｉａｃの実効値は、出力電力が１０００Ｗで商用電源電圧が２００Ｖであるので、Ｉａｃ(ｒｍｓ)＝１０００÷２００＝５．０Ａであり、ピーク値はその√２倍でＩａｃ（ｐｅａｋ）＝７．０７Ａである。しかしこの場合ピーク値Ｉａｃ（ｐｅａｋ）の１５０％の相当する１０．６Ａ以上の過電流ピークＩａｃｏを検出して、直流交流変換出力緊急停止手段１６に信号を送り、直流交流変換手段１２を緊急出力停止させる。

本実施の形態の燃料電池システムは、実施の形態１の燃料電池システムの構成に加えて、運転制御手段１４に接続されると共に直流交流変換手段１２の出力の過電流を検出する過電流検出手段１８を備え、直流交流変換出力緊急停止手段１６が、過電流検出手段１８が過電流を検出したことを検知すると運転制御手段１４からの信号がなくても直流交流変換手段１２の動作を緊急停止させるものである。

上記構成において、直流交流変換手段１２の出力に過電流が発生すると、過電流検出手段が直流交流変換手段の出力の過電流を検出し、過電流検出手段１８が直流交流変換手段１２の出力の過電流を検出すると、過電流検出手段１８による過電流の検出を直流交流変換出力緊急停止手段１６が検知して直流交流変換手段１２の動作を緊急停止させる。

このとき、直流交流変換出力緊急停止手段１６による直流交流変換手段１２の動作の緊急停止は、運転制御手段１４からの信号がなくても行われるので、運転制御手段１４からの信号を受けてから直流交流変換手段１２の動作の緊急停止を行う場合よりも早く直流交流変換手段１２の動作の緊急停止できる。

これにより、線間過電圧検出手段１５により直流交流変換手段１２の出力端の過電圧を検出した場合と同様に、直流交流変換手段１２の出力に過電流を検出した場合に、直ちに直流交流変換手段１２の出力を緊急停止して、過電圧を一定電圧以下に抑え、直流交流変換手段１２の内部回路素子の破壊を防止することができる。

また、直流交流変換出力緊急停止手段１６を、過電圧の場合と過電流の場合の両方で機能させることにより、直流交流変換出力緊急停止手段１６の回路を共用化することができ、共用部品のコストダウンを図ることが可能となる。

（実施の形態３）
図９は、本発明の実施の形態３における燃料電池システムの構成を示すものである。本実施の形態（図９）において、実施の形態１（図１）と同一構成については同一符号を用い、その詳細な説明は省略する。

図９において、異常報知手段１９は、燃料電池システムが異常状態であることを報知するためのもので、ＬＥＤ、ＬＣＤ、蛍光表示管等の表示装置およびブザー、チャイム、音声合成等の報知装置で構成される。

運転制御手段１４は、線間過電圧検出手段１５が線間過電圧を検出したことを検知もしくは線間過電圧により直流交流変換出力緊急停止手段１６が直流交流変換手段１２の動作を緊急停止させたことを検知すると、異常報知手段１９により線間過電圧の異常を報知する。

表示内容としては、例えば「線間過電圧異常」という文字、あるいは「Ｆ１Ｆ」というアルファベット文字を数字の組み合わせた表示形式でもよい。報知内容としては、「ただいま線間過電圧異常を検出しました」という音声でお知らせしたり、「ピー」や「ブー」等のブザー音や「ピンポン」等のチャイムでもよい。

図１０は、図２に示された実施の形態１における直流交流変換回路１２のインバータとその周辺の構成に、さらに線間過電圧検出手段１５から運転制御手段１４への信号経路が加わった、直流交流変換手段１２内の後段のインバータとその周辺の構成を示すものである。

本実施の形態のインバータの構成や通常時のインバータ出力制御動作は、実施の形態１と同様であるので、その説明は省略する。

線間過電圧検出手段１５が線間過電圧を検出した場合、直流交流変換出力緊急停止手段１６への信号と同時に、運転制御手段１４へも検出した旨の信号を送り、異常報知手段１９により線間過電圧の異常を報知する。さらに、直流交流変換出力緊急停止手段１６が線間過電圧検出により直流交流変換手段１２の動作を緊急停止させたことを検知すると、異常報知手段１９により線間過電圧の異常を報知する。

直流交流変換出力緊急停止手段１６による直流交流変換手段１２の出力停止は、ハード的処理により、少しでも早く線間過電圧を検出し、運転制御手段１４からの信号がなくても直流交流変換手段１２の動作を緊急停止させて、電圧上昇を防止しなければならないが、運転制御手段１４による異常報知手段１９での表示および報知は、ミリ秒のオーダーのような緊急性はなく、数百ミリ秒以上でも構わない。

本実施の形態の燃料電池システムは、実施の形態１の燃料電池システムの構成に加えて、異常報知手段１９を備え、運転制御手段１４が、線間過電圧検出手段１５が線間過電圧を検出したことを検知もしくは線間過電圧により直流交流変換出力緊急停止手段１６が直流交流変換手段１２の動作を緊急停止させたことを検知すると、異常報知手段１９により線間過電圧の異常を報知するものである。

上記構成により、線間過電圧により直流交流変換出力緊急停止手段１６が直流交流変換手段１２の動作を緊急停止させた場合に、異常報知手段１９が線間過電圧の異常を報知するので、燃料電池システムが出力停止したことと、停止の原因が線間過電圧の異常であることを、報知（または表示）により、知らせることができ、過電圧により直流交流変換出力緊急停止手段１６が直流交流変換手段１２の動作を緊急停止させた場合の、サービスマンへの連絡とサービスマンの作業の対応が、容易に、早くできる。

（実施の形態４）
図１１は、本発明の実施の形態４における燃料電池システムの構成を示すものである。本実施の形態（図１１）において、実施の形態２（図６）と同一構成については同一符号を用い、その詳細な説明は省略する。

図１１において、異常報知手段１９は、実施の形態３における異常報知手段１９と同様に、燃料電池システムが異常状態であることを報知するためのもので、ＬＥＤ、ＬＣＤ、蛍光表示管等の表示装置およびブザー、チャイム、音声合成等の報知装置で構成される。

運転制御手段１４は、線間過電圧検出手段１５が線間過電圧を検出したことを検知もしくは線間過電圧により直流交流変換出力緊急停止手段１６が直流交流変換手段１２の動作を緊急停止させたことを検知すると、異常報知手段１９により線間過電圧の異常を報知し、過電流検出手段１８が過電流を検出したことを検知もしくは過電流により直流交流変換出力緊急停止手段１６が直流交流変換手段１２の動作を緊急停止させたことを検知すると、異常報知手段１９により過電流の異常を報知する。

表示内容としても実施の形態３の「線間過電圧異常」の場合と同様に「過電流異常」の場合も、例えば「過電流異常」という文字、あるいは「Ｃ１Ｆ」というアルファベット文字を数字の組み合わせた表示形式でもよい。報知内容としては、「ただいま過電流異常を検出しました」という音声でお知らせしたり、「ピー」や「ブー」等のブザー音や「ピンポン」等のチャイムでもよい。

図１２は、図７に示された実施の形態２における直流交流変換回路１２のインバータとその周辺の構成に、さらに線間過電圧検出手段１５から運転制御手段１４への信号経路および過電流検出手段１８から運転制御手段１４への信号経路が加わった、直流交流変換手段１２内の後段のインバータとその周辺の構成を示すものである。

本実施の形態のインバータの構成や通常時のインバータ出力制御動作は、実施の形態２と同様であるので、その説明は省略する。

実施の形態３において線間過電圧検出手段１５が線間過電圧を検出した場合と同様に、過電流検出手段１８が過電流を検出した場合も、直流交流変換出力緊急停止手段１６への信号と同時に、運転制御手段１４にも検出した旨の信号を送り、異常報知手段１９により過電流の異常を報知する。さらに、直流交流変換出力緊急停止手段１６が過電流検出により直流交流変換手段１２の動作を緊急停止させたことを検知すると、異常報知手段１９により過電流の異常を報知する。

直流交流変換出力緊急停止手段１６による直流交流変換手段１２の出力停止は、ハード的処理により、実施の形態３における過電圧の場合と同様、少しでも早く過電流を検出し、運転制御手段１４からの信号がなくても直流交流変換手段１２の動作を緊急停止させて、過電流の上昇を防止しなければならないが、運転制御手段１４による異常報知手段１９での表示および報知は、ミリ秒のオーダーのような緊急性はなく、数百ミリ秒以上でも構わない。

本実施の形態の燃料電池システムは、実施の形態２の燃料電池システムの構成に加えて、異常報知手段１９を備え、運転制御手段１４が、線間過電圧検出手段１５が線間過電圧を検出したことを検知もしくは線間過電圧により直流交流変換出力緊急停止手段１６が直流交流変換手段１２の動作を緊急停止させたことを検知すると、異常報知手段１９により線間過電圧の異常を報知し、過電流検出手段１８が過電流を検出したことを検知もしくは過電流により直流交流変換出力緊急停止手段１６が直流交流変換手段１２の動作を緊急停止させたことを検知すると、異常報知手段１９により過電流の異常を報知するものである。

上記構成により、実施の形態３の作用効果に加えて、過電流により直流交流変換出力緊急停止手段１６が直流交流変換手段１２の動作を緊急停止させた場合に、異常報知手段１９が過電流の異常を報知するので、燃料電池システムが出力停止したことと、停止の原因が過電流の異常であることを、報知（または表示）により、知らせることができ、過電流により直流交流変換出力緊急停止手段１６が直流交流変換手段１２の動作を緊急停止させた場合の、サービスマンへの連絡とサービスマンの作業の対応が、容易に、早くできる。

また、線間過電圧検出、過電流検出のいずれの場合においても、区別して報知することにより、異常報知手段１９を共用して使用することが可能となり、停止した原因が過電圧であるのか過電流であるのかをサービスマンあるいは使用者に的確に伝えることができる。

本発明の燃料電池システムは、直流交流変換手段の出力端にて線間過電圧または過電流を検出した場合に、直流交流変換手段の出力を緊急停止して、直流交流変換手段の内部回路素子の破壊を防止できるので、系統と連系可能な家庭用の燃料電池システムの他にも、オフィスや工場などで系統と連系可能な業務用の燃料電池システムに適用でき、また、直流電力を発電し発電による直流電力を交流電力に変換する太陽電池システム等の他の発電システムにも応用が可能である。

１１ 燃料電池
１２ 直流交流変換手段
１４ 運転制御手段
１５ 線間過電圧検出手段
１５ａ ノイズ除去フィルタ
１６ 直流交流変換出力緊急停止手段
１８ 過電流検出手段
１９ 異常報知手段

Claims (7)

1. 直流の発電を行う燃料電池と、前記燃料電池による直流電力を交流電力に変換する直流交流変換手段と、前記直流交流変換手段の出力の線間過電圧を検出する線間過電圧検出手段と、前記直流交流変換手段の動作を緊急停止させる直流交流変換出力緊急停止手段と、前記燃料電池と前記直流交流変換手段と前記線間過電圧検出手段と前記直流交流変換出力停止緊急手段とに接続され前記燃料電池と前記直流交流変換手段の制御を行う運転制御手段とを備え、前記直流交流変換出力緊急停止手段は、前記線間過電圧検出手段が前記線間過電圧を検出したことを検知すると前記運転制御手段からの信号がなくても前記直流交流変換手段の動作を緊急停止させることを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記線間過電圧検出手段は、２００Ｖ系と１００Ｖ系の両方で線間の電圧を計測し、２００Ｖ系と１００Ｖ系のどちらか一方でも線間過電圧を検出すると、線間過電圧の検出を知らせる信号を出力する請求項１記載の燃料電池システム。
3. 前記線間過電圧検出手段は、ノイズによる誤検出を防止するためのノイズ除去フィルタを介して線間の電圧を計測する請求項１または２記載の燃料電池システム。
4. 前記運転制御手段は、前記ノイズ除去フィルタのフィルタ定数を設定する請求項３記載の燃料電池システム。
5. 前記運転制御手段に接続されると共に前記直流交流変換手段の出力の過電流を検出する過電流検出手段を備え、前記直流交流変換出力緊急停止手段は、前記過電流検出手段が前記過電流を検出したことを検知すると前記運転制御手段からの信号がなくても前記直流交流変換手段の動作を緊急停止させる請求項１から４のいずれか１項記載の燃料電池システム。
6. 異常報知手段を備え、前記運転制御手段は、前記線間過電圧検出手段が前記線間過電圧を検出したことを検知もしくは前記線間過電圧により前記直流交流変換出力緊急停止手段が前記直流交流変換手段の動作を緊急停止させたことを検知すると、前記異常報知手段により前記線間過電圧の異常を報知する請求項１から４のいずれか１項記載の燃料電池システム。
7. 異常報知手段を備え、前記運転制御手段は、前記線間過電圧検出手段が前記線間過電圧を検出したことを検知もしくは前記線間過電圧により前記直流交流変換出力緊急停止手段が前記直流交流変換手段の動作を緊急停止させたことを検知すると、前記異常報知手段により前記線間過電圧の異常を報知し、前記過電流検出手段が前記過電流を検出したことを検知もしくは前記過電流により前記直流交流変換出力緊急停止手段が前記直流交流変換手段の動作を緊急停止させたことを検知すると、前記異常報知手段により前記過電流の異常を報知する請求項５記載の燃料電池システム。

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