JP2010251147A - 燃料電池発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池発電装置の安全性を向上させる。
【解決手段】燃料電池発電装置１０１は、燃料電池１０４が発電した直流電力の電圧を昇圧する昇圧コンバータ１０５と、昇圧コンバータ１０５で昇圧された高電圧の直流電力を商用電力系統１０２と系統連系するための交流電力に変換するインバータ１０６と、インバータ１０６の出力側と商用電力系統１０２とを接続する解列リレー１１２と、インバータ１０６と並列に昇圧コンバータ１０５の出力側に設けられ燃料電池１０４における余剰電力を消費する余剰電力消費手段とを備え、余剰電力消費手段が、内部負荷としてのヒータ１０９と、ヒータ１０９で消費する電力量を制御するとともにヒータ１０９と昇圧コンバータ１０５の出力側とを絶縁する余剰電力コンバータ１１０とを備えるので、電気接続部の異常発熱や発火の恐れを低減し、燃料電池発電装置１０１の安全性を向上できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池の直流電力を交流電力に変換し、商用電力系統に連系して出力する燃料電池発電装置に関するものである。

従来、この種の燃料電池発電装置は、直流入力元である燃料電池が発電した電力よりも家庭内で消費される電力が小さい場合に、燃料電池で余剰となる電力を専用の内部負荷にて消費させ、発電を安定的に継続するように構成したものが提案されている（例えば特許文献１参照）。

図３は、上記特許文献１に記載された従来の燃料電池発電装置のブロック図である。

図３に示すように、燃料電池発電装置１は商用電力系統２と接続されている。商用電力系統２と燃料電池発電装置１の間には、エアコン、冷蔵庫などの家庭内負荷３が接続されている。

燃料電池４は、都市ガス、プロパンガスなどの燃料ガスから水素リッチなガスを生成し、その水素によって発電する。燃料電池４の直流出力電力は、昇圧コンバータ５によって商用電力系統２の電圧より高い所定の電圧に昇圧され、インバータ６によって商用電力系統２と同期した交流電力に変換され、解列リレー１２を介して商用電力系統２に連系出力される。

また、燃料電池４にて発電時に発生する廃熱を回収して温水とする熱交換器７と、その温水を蓄える貯湯タンク８を備える。貯湯タンク８には更にヒータ９を介して内部の水を温める循環経路が接続されており、ヒータ９には燃料電池４の出力から余剰電力コンバータ１０を介して電力が供給される。

このような燃料電池発電装置１は、商用電力系統２に系統連系されて使用され、燃料電池４により発電した電力を単独で、若しくは商用電力と共にテレビや冷蔵庫などの家庭内負荷３に供給する。

ところで、家庭内負荷３で消費する電力はユーザーの操作によって刻一刻と変化する。一方、発電は燃料ガスの供給量の変更などを行い、水素リッチなガスの生成量を調整するため、家庭内負荷３の電力変動に対してどうしても遅れが生じる。

例えば、家庭内負荷３が急増し、燃料電池４の発電量がそれを下回っている時には、家庭内負荷３で不足する電力は、連系している商用電力系統２から供給される。

一方、家庭内負荷３が急減した場合、燃料電池４の発電量が上回ってしまうため、このままでは余剰電力が商用電力系統２に逆潮流してしまうことになる。そこで、逆潮流が発生しないように昇圧コンバータ５およびインバータ６は出力電力を小さくすると同時に、余剰電力コンバータ１０はヒータ９で消費する電力を増加させる。これにより、家庭内負荷３が急減したことによって発生した余剰電力を処理することが可能となる。

特開２００４−２１３９８５号公報

しかしながら、上記従来の構成では、余剰電力コンバータ１０は燃料電池４の出力電圧を入力元として動作をする。ここで、一般的に燃料電池４の出力電圧は数十Ｖ程度と比較的低電圧である。例えば出力電力１０００Ｗとし、その電力を全てヒータ９で消費する場合、燃料電池４の出力電圧を３０Ｖとすれば余剰電力コンバータ１０の入力には３３Ａ＝（１０００Ｗ／３０Ｖ）の大きな電流が流れる。

また、近年、燃料電池発電装置１の低コスト化などの目的で燃料電池４の出力電圧は低電圧化の方向であり、例えば入力電圧が１０Ｖまで低下すると入力電流は１００Ａ（＝１０００Ｗ／１０Ｖ）と非常に大きくなる。このような大電流では電気接合部の不具合（カシメ不良、半田クラックなど）が発生すると異常発熱や発火してしまう危険性が高い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、燃料電池で発生した余剰電力を燃料電池発電装置の内部で消費する際に、電気接合部における異常発熱や発火の恐れを低減することができ、燃料電池発電装置の安全性を向上できる燃料電池発電装置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、本発明の燃料電池発電装置は、燃料電池が発電した直流電力の電圧を昇圧する昇圧コンバータと、前記昇圧コンバータで昇圧された高電圧の直流電力を商用電力系統と系統連系するための交流電力に変換するインバータと、前記インバータと並列に前記昇圧コンバータの出力側に設けられ前記燃料電池における余剰電力を消費する余剰電力消費手段とを備えたのである。

これによって、家庭内の消費電力が急減した場合に、燃料電池で発生する余剰電力を余剰電力消費手段にて消費するので、商用電力系統への逆潮流を防止することができる。その際に、余剰電力消費手段は昇圧コンバータで昇圧された後の高電圧の直流電圧を入力とするので、燃料電池の低電圧の直流電圧を入力する場合に比べ、入力電流を小さくすることができる。

本発明の燃料電池発電装置は、余剰電力消費手段が、昇圧コンバータで昇圧された後の高電圧を入力として余剰電力を消費するので、余剰電力消費手段の入力電流を小さくすることができる。その結果として、燃料電池で発生した余剰電力を燃料電池内で消費する際にも、電気接合部における異常発熱や発火の恐れを低減し、燃料電池発電装置の安全性を向上させることができる。

本発明の実施の形態１における燃料電池発電装置のブロック図 本発明の実施の形態２における燃料電池発電装置のブロック図 従来の燃料電池発電装置の構成図

第１の発明は、燃料電池が発電した直流電力の電圧を昇圧する昇圧コンバータと、前記昇圧コンバータで昇圧された高電圧の直流電力を商用電力系統と系統連系するための交流電力に変換するインバータと、前記インバータと並列に前記昇圧コンバータの出力側に設けられ前記燃料電池における余剰電力を消費する余剰電力消費手段とを備えたことを特徴とする燃料電池発電装置である。

この構成によって、燃料電池で発生した余剰電力を消費する際に、余剰電力消費手段は昇圧コンバータで昇圧された後の高電圧の直流電圧を入力とするので、入力電流を小さくすることができ、電気接続部での異常発熱や発火の恐れを低減することができる。その結果として、家庭内で消費される電力が急減や商用電力系統の異常等によって、燃料電池で余剰電力が発生した場合にも、余剰電力を安全に消費することができるので、燃料電池発電装置の安全性を向上することができる。

第２の発明は、特に第１の発明における余剰電力消費手段が、内部負荷と、前記内部負荷で消費する電力量を制御するとともに前記内部負荷と昇圧コンバータの出力側とを絶縁する余剰電力コンバータとを備えたので、商用電力系統と連系して出力している場合にも、商用電力系統側の外乱ノイズが内部負荷側に回り込むのを防止するので、内部負荷側の安定性向上および故障低減を図ることができる。

第３の発明は、特に第２の発明における昇圧コンバータが、所定周波数以上の高周波スイッチングを行うものであり、昇圧コンバータが、所定周波数以上の高周波スイッチングを行う場合にも、内部負荷と昇圧コンバータが絶縁されているので、内部負荷からの漏れ電流を低減することができる。

第４の発明は、特に第２または第３の発明における内部負荷を、通電されると発熱して水を温めるヒータとしたものであり、内部負荷がヒータである場合にも、ヒータと昇圧コンバータが絶縁されているので、ヒータからの漏れ電流を低減することができ、ヒータで温められた温水をユーザーが使用しても感電の恐れがなく、安全性を向上することができる。

第５の発明は、特に第１〜４の発明において、インバータの出力側と商用電力系統とは解列手段を介して接続され、前記解列手段が開いた時に、余剰電力消費手段が昇圧コンバータに蓄積された電力を消費するものであり、これにより、解列手段が開状態となり商用交流と切り離された後でも、昇圧コンバータ内部に蓄えられた電力を放電させるので、昇圧コンバータ内部に高電圧が残存せず、燃料電池発電装置の修理・交換作業時に、感電の恐れを低減することができる。

以下、本発明の実施の形態について、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限定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における燃料電池発電装置のブロック図である。

図１に示すように、燃料電池発電装置１０１は商用電力系統１０２とＡＣ２００Ｖで接続されている。商用電力系統１０２と燃料電池発電装置１０１の間には、エアコン、冷蔵庫などの家庭内負荷１０３が接続されている。燃料電池発電装置１０１および家庭内負荷１０３と、商用電力系統１０２の間には逆潮流検出器１１１が設置されている。

燃料電池発電装置１０１は、燃料電池１０４の出力電圧を商用電力系統１０２の電圧より高い所定の電圧に昇圧する昇圧コンバータ１０５、昇圧コンバータ１０５の直流出力を商用電力系統１０２と同期した交流正弦波として出力するインバータ１０６、商用電力系統１０２と燃料電池発電装置１０１を連系／解列する解列リレー１１２を有する。更に昇圧コンバータ１０５の直流出力は余剰電力コンバータ１１０を介してヒータ１０９にも供給可能とされている。

昇圧コンバータ１０５は、リアクトル２０１と昇圧用スイッチング素子２０２と昇圧用ダイオード２０３と平滑コンデンサ２０４で構成され、インバータ１０６はスイッチング素子Ｑ３０１〜Ｑ３０４を４石使用したフルブリッジ回路と、高周波ノイズ除去用リアクトル３０５と出力コンデンサ３０６で構成されている。また、スイッチング素子Ｑ３０１〜Ｑ３０４には、転流ダイオードＤ３０１〜Ｄ３０４がそれぞれ内蔵されている。余剰電力コンバータ１１０は、絶縁トランス４０１と余剰電力コンバータ用スイッチング素子４０２と余剰電力コンバータ用ダイオード４０３と余剰電力コンバータ用平滑コンデンサ４０４で構成される。

また、燃料電池発電装置１０１は、燃料電池１０４で発生する廃熱を回収し、温水として蓄える貯湯タンク１０８を備え、貯湯タンク１０８には熱交換器１０７を介して循環する水経路と、ヒータ１０９を介して循環する水経路が接続されており、それぞれの循環経路は水ポンプ（図示しない）で貯湯タンク１０８の水が循環するように構成されている。熱交換器１０７は燃料電池１０４での発電時に発生する熱を熱源として循環する水を温めるように構成されている。ヒータ１０９は昇圧コンバータ１０５と余剰電力コンバータ１１０を介して燃料電池１０４の出力電力を熱に変換し、循環する水を温めるように構成されている。

以上のように構成された本実施の形態の燃料電池発電装置１０１において、以下その動作、作用を説明する。

燃料電池１０４は、都市ガス、プロパンガスなどの燃料ガスを元に改質器や変成器（図示しない）を用いて水素リッチなガスを生成し、生成された水素リッチなガス中の水素と、空気中に含まれる酸素との電気化学反応によって発電し、直流電力を発生する。

ここで、燃料電池１０４の出力電圧は、例えば固体高分子型の燃料電池であれば、固体高分子電解質膜の両面に設けたアノードとカソードのガス経路に水素リッチなガスと空気を供給して、水素と酸素の電気化学反応によって電力を発生させるわけであるが、この固体高分子電解質膜の両面にガス経路を設けた単位発電体であるセルを直列接続する数によって決定され、一般的にはＤＣ数十Ｖ程度である。

ところで、燃料電池１０４の製造コストを低下させるためには、直列接続するセルの数を少なくすることが有効であり、近年、出力電圧は低電圧化の方向である。本実施の形態では燃料電池１０４の出力電圧はＤＣ１０Ｖとする。

商用電力系統１０２の電圧がＡＣ２００Ｖである場合、電圧のピークは２８３Ｖに達するため、インバータ１０６の入力側の電圧としては、それ以上の電圧が必要となる。また、商用電力系統１０２が変動することを考慮すると、通常ＤＣ３５０Ｖ程度の電圧が必要である。

そこで、昇圧コンバータ１０５は、昇圧用スイッチング素子２０２をＯＮして、リアクトル２０１にエネルギーを蓄積し、昇圧用スイッチング素子２０２をＯＦＦした際に、リアクトル２０１に蓄えられたエネルギーが、昇圧用ダイオード２０３を介して平滑コンデンサ２０４に電圧として蓄えられる。

以上の動作を繰り返すことにより、燃料電池１０４の定格出力ＤＣ１０ＶをＤＣ３５０Ｖまで昇圧する。ここで、スイッチングの周波数を高くすれば、同一サイズのリアクトルであっても、より大きなエネルギーを取り出すことができる。そのため、昇圧コンバータ１０５の小型化の観点より、数十ＫＨｚ以上の高周波でスイッチングするのが望ましく、本実施の形態のスイッチング周波数は５０ＫＨｚとする。

次に、インバータ１０６は、４石のスイッチング素子Ｑ３０１〜Ｑ３０４を高周波でスイッチング動作させることで、昇圧コンバータ１０５の平滑コンデンサ２０４に一時的に蓄えられた電力を略正弦波として出力する。この略正弦波の出力電流には高周波成分が含まれているが、高周波ノイズ除去用リアクトル３０２と出力コンデンサ３０３で平滑されて滑らかな正弦波となる。そして、解列リレー１１２を閉状態にして商用電力系統１０２と連系し、家庭内負荷１０３に電力を供給する。

このとき、燃料電池発電装置１０１の出力電力が家庭内負荷３の消費電力よりも小さい場合には、商用電力系統１０２から家庭内負荷１０３側へ電流が流れ込み、逆に燃料電池発電装置１０１の出力電力が家庭内負荷１０３よりも大きい場合には、商用電力系統１０２へ電流が流出することになる。そこで、逆潮流検出器１１１にて、電流の方向を判定することにより逆潮流が発生していることを検出することができる。

ここで、まず、家庭内負荷１０３の消費電力が燃料電池１０４の発電電力よりも大きければ、発電電力は全て家庭内負荷１０３で消費されている。そして、その状態から、ユーザーがエアコン等の電源をＯＦＦし、家庭内負荷１０３の消費電力が急減し、燃料電池１０４の発電電力よりも小さくなると、商用電力系統１０２に対して電流が流れ込むので、逆潮流検出器１１１にて逆潮流が発生したのを検出する。

すると、インバータ１０６は、逆潮流検出器１１１にて逆潮流が発生しないように出力を低下させる。そして同時に、余剰電力コンバータ１１０を動作させて、燃料電池１０４で発生する余剰電力をヒータ１０９にて消費させる。このときヒータ１０９は、貯湯タンク１０８から循環してくる水を温める。これにより、余剰電力を熱として有効利用することができる。

このときの余剰電力コンバータ１１０の動作を説明する。余剰電力コンバータ１１０は、余剰電力コンバータ用スイッチング素子４０２をＯＮして、絶縁トランス４０２にエネルギーを蓄積し、余剰電力コンバータ用スイッチング素子４０２をＯＦＦした際に、絶縁トランス４０１に蓄えられたエネルギーを、余剰電力コンバータ用ダイオード４０３と余剰電力コンバータ用平滑コンデンサ４０４を介してヒータ１０９に電力供給を行う。余剰電力コンバータ用スイッチング素子４０２のＯＮ／ＯＦＦ時間を調整することにより、ヒータ１０９で消費する電力を調整することが可能である。

ところで、余剰電力コンバータ１１０は、昇圧コンバータ１０５の出力電圧を入力として動作するので、ヒータ１０９にて１０００Ｗの電力を消費する場合、余剰電力コンバータ１１０の入力側に流れる電流は、約３Ａ（＝１０００Ｗ／３５０Ｖ）となる。これは、燃料電池１０４の出力電圧を入力とした場合の入力電流値である約１００Ａ（＝１０００Ｗ／１０Ｖ）に比べて非常に小さい。

以上のように、本実施の形態の燃料電池発電装置１０１は、燃料電池１０４が発電した直流電力の電圧を昇圧する昇圧コンバータ１０５と、昇圧コンバータ１０５で昇圧された高電圧の直流電力を商用電力系統１０２と系統連系するための交流電力に変換するインバータ１０６と、インバータ１０６と並列に昇圧コンバータ１０５の出力側に設けられ燃料電池１０４における余剰電力を消費する余剰電力消費手段とを備え、インバータ１０６の出力側と商用電力系統１０２とは解列手段としての解列リレー１１２を介して接続されたものであり、余剰電力消費手段は、内部負荷としての通電されると発熱して水を温めるヒータ１０９と、ヒータ１０９（内部負荷）で消費する電力量を制御するとともにヒータ１０９（内部負荷）と昇圧コンバータ１０５の出力側とを絶縁する余剰電力コンバータ１１０とを備え、昇圧コンバータ１０５が、所定周波数以上の高周波スイッチングを行うものである。

本実施の形態においては、家庭内負荷１０３の消費電力が燃料電池発電装置１０４の発電電力よりも小さくなり、余剰電力が発生した場合でも、余剰電力コンバータ１１０を介してヒータ１０９で任意の電力消費が可能であるので、逆潮流を防止することができる。また、余剰電力コンバータ１１０の入力側に流れる電流値を小さくすることができるので、リード線のカシメや、ビス締め、はんだ付け等による電気接続部における異常発熱や発火の恐れを低減することができる。また、使用する部品の小型化やリード線を細くすることができ、余剰電力コンバータ１１０の小型化および低コスト化を図ることができる。

そして、ヒータ１０９は余剰電力コンバータ１１０内部の絶縁トランス４０１によって昇圧コンバータ１０５と電気的に絶縁されているので、昇圧コンバータ１０５の高周波成分を含んだ高電圧出力からの漏れ電流がヒータ１０９を介して、貯湯タンク１０８の温水に流出する恐れが低減される。その結果、ユーザーが貯湯タンク１０８の温水を使用する際の感電の恐れを低減することができる。

なお、本実施の形態では余剰電力を消費する負荷としてヒータを選定したが、燃料電池発電装置１０１内部のポンプやファンなど制御回路を内蔵したようなものであってもよい。この場合、余剰電力コンバータ１１０が商用電力系統１０２からも絶縁されているので、商用電力系統１０２への落雷等の外乱からポンプやファンを保護することができる。

（実施の形態２）
図２は、本発明の実施の形態２における燃料電池発電装置のブロック図である。なお、本実施の形態において、実施の形態１と同一構成のものについては同一符号を付し、説明を省略する。実施の形態１と異なる点は、余剰電力コンバータ１１０を非絶縁としたところである。

図２に示すように、余剰電力コンバータ１１０は、余剰電力コンバータ用スイッチング素子４０２をＯＮして余剰電力コンバータ用リアクトル４０５にエネルギーを蓄積し、余剰電力コンバータ用スイッチング素子４０２をＯＦＦした際に、余剰電力コンバータ用リアクトル４０５に蓄えられたエネルギーを、余剰電力コンバータ用ダイオード４０３と余剰電力コンバータ用平滑コンデンサ４０４を介して、ヒータ１０９に電力供給する。余剰コンバータ用スイッチング素子４０２のＯＮ／ＯＦＦ時間を調整することによりヒータ１０９で消費する電力を調整することが可能である。

以上のように構成された本実施の形態の燃料電池発電装置１０１において、以下その動作、作用を説明する。本実施の形態の燃料電池発電装置１０１の電力出力動作は、実施の形態１と同一であり、異なるのは出力停止時の動作のみである。

ユーザーによる発電の停止操作や、商用電力系統１０２および燃料電池発電装置１０１の異常等によって、燃料電池発電装置１０１に停止すると解列リレー１１２が開き、商用電力系統１０２および家庭内負荷１０３から切り離される。

しかしながら、解列される直前までは電力出力を行っているので、昇圧コンバータ１０５の平滑コンデンサ２０４には高電圧の電力が蓄えられたままとなっている。ここで、本実施の形態の余剰電力コンバータ１１０は、発電が停止して解列リレー１１２が開かれると、ヒータ１０９への電力供給を行い、昇圧コンバータ１０５の平滑コンデンサ２０４に蓄えられた高電圧の電力を消費させる。

また、解列リレー１１２が開くと、家庭内負荷１０３と切り離されるため無負荷状態となり、出力コンデンサ３０６にも電圧が蓄えらたままとなる。燃料電池発電装置１０１が出力中に出力コンデンサ３０６に印加されているのは商用電力系統１０２の電圧であるため、停止するタイミングによってその瞬間に蓄えられる電圧は異なる。商用電力系統１０２はＡＣ２００Ｖであるので、出力コンデンサ３０６の両端には絶対値として０〜２８３Ｖ程度の電圧が蓄えられている。ここで、余剰電力コンバータ１１０を動作させると、転流ダイオードＤ４０１とＤ４０４を介して、もしくは転流ダイオードＤ４０２とＤ４０３を介して出力コンデンサ３０６の電力をヒータ１０９で消費することができる。

以上のように、本実施の形態においては、発電を停止し、解列リレー１１２が解列された後でも余剰電力コンバータ１１０が動作して、平滑コンデンサ２０４および出力コンデンサ３０６に蓄えられている高電圧の電力を放電することができるので、燃料電池発電装置１０１の修理などのメンテナンス時に作業者が感電してしまう恐れを低減することができる。

本発明にかかる燃料電池発電装置は、余剰電力コンバータの入力に昇圧コンバータの出力する高電圧を利用しているので、家庭内負荷の消費電力が急減した場合などに発生する余剰電力を消費する際に、余剰電力コンバータの入力電流を小さくすることが可能となり、リード線のカシメや、ビス締め、はんだ付け等による電気接続部における異常発熱や発火の恐れを低減することができるので、低電圧かつ大電流を扱う機器全般において安全性が向上するので、発電と給湯を行う家庭用燃料電池システムに適している。

１０１ 燃料電池発電装置
１０２ 商用電力系統
１０４ 燃料電池
１０５ 昇圧コンバータ
１０６ インバータ
１０９ ヒータ
１１０ 余剰電力コンバータ
１１２ 解列リレー

Claims (5)

1. 燃料電池が発電した直流電力の電圧を昇圧する昇圧コンバータと、前記昇圧コンバータで昇圧された高電圧の直流電力を商用電力系統と系統連系するための交流電力に変換するインバータと、前記インバータと並列に前記昇圧コンバータの出力側に設けられ前記燃料電池における余剰電力を消費する余剰電力消費手段とを備えた燃料電池発電装置。
2. 余剰電力消費手段は、内部負荷と、前記内部負荷で消費する電力量を制御するとともに前記内部負荷と昇圧コンバータの出力側とを絶縁する余剰電力コンバータとを備える請求項１記載の燃料電池発電装置。
3. 昇圧コンバータが、所定周波数以上の高周波スイッチングを行う請求項２記載の燃料電池発電装置。
4. 内部負荷が、通電されると発熱して水を温めるヒータである請求項２または３記載の燃料電池発電装置。
5. インバータの出力側と商用電力系統とは解列手段を介して接続され、前記解列手段が開いた時に、余剰電力消費手段が昇圧コンバータに蓄積された電力を消費する請求項１〜４のいずれか１項記載の燃料電池発電装置。

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