JP2011015569A - 燃料電池発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】自立運転時に負荷が不平衡状態である場合に、複雑な制御を行うことなく、かつ無駄な電力消費を抑え、燃料電池から見た負荷を平衡状態とする。
【解決手段】燃料電池発電装置１内で、三相電力を単相電力に変換し、その単相電力を単相出力端子５に接続する。顧客負荷７のうち、三相負荷７１を三相出力端子４に、単相負荷７２を単相出力端子５にそれぞれ分けて接続することで、燃料電池２から見た負荷を三相平衡負荷とみなすことができるので、顧客負荷７が不平衡状態であることに起因して、燃料電池１の発電電流にリップルが生じることを回避することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池発電装置に関し、より詳細には、燃料電池の発電出力のみを用いて負荷への供給電力を賄い、かつ燃料電池の発電出力を多相の交流電力に変換して負荷に供給する技術に関する。

従来、燃料電池発電装置を用いて負荷への電力供給を行うようにした燃料電池発電装置が提案されている。
このような燃料電池発電装置では、燃料として都市ガスやＬＰＧ等の原燃料を用い、原燃料を改質器で水素リッチな改質ガスに改質し、その結果得た改質ガスを燃料電池に供給して燃料電池発電を行っている。

そして、燃料電池の発電出力が負荷で必要とする電力に見合った電力量となるように改質器への原燃料の供給量を制御することにより、燃料電池の発電出力と燃料電池から見た電力負荷とのバランスを保つようにしている。

また、燃料電池発電装置では、上記のように原燃料を改質ガスに改質する必要があり、原燃料の流量を調整したとしても燃料電池に実際に供給される改質ガスの流量が変化するまでに応答時間を要する。このため、負荷への供給電力を燃料電池の発電出力のみにより賄う自立運転を行う際には、負荷に見合った発電出力となるように改質器に供給する原燃料流量を制御したとしても、結果的に燃料電池が燃料不足傾向となる可能性がある。

ここで、負荷量の変動に対する追従特性を向上させるために、負荷変動に備えて、負荷で要求される電力に見合った燃料よりも予め多めに燃料供給を行うことにより燃料不足傾向となることを抑制するようにしたり、また、負荷の負荷量の変動パターンを予め検出しておき、この変動パターンに沿って改質ガスの流量を調整することにより、負荷変動に対する追従性を向上させるようにしたりする方法（特許文献１）等も提案されている。

ところで、自立運転を実施するための従来の燃料電池発電装置１の一例を図７に示す。また、図７の燃料電池発電装置１において、負荷不平衡状態での各部の波形図を図９に示す。図７に示すように、燃料電池２で発電された直流電力からなる発電出力は、三相インバータ３で三相交流電力に変換されて顧客負荷７に供給される。図８に三相インバータの回路例を示す。三相インバータ３は、自立運転時に定電圧制御を行っており、例えば３相の平衡電圧を出力している（図９(a)）。

このような３相の平衡電圧を出力している状態で、図７に示すように顧客の三相負荷７１と単相負荷７２が一つの三相出力端子４に接続されると、負荷の不平衡状態（各相の負荷間が平衡でない状態）が生じて、例えばｂ相を流れる線電流Ibが他相に比して小さい場合（図９(b)）、三相インバータ３は出力電圧が一定となるように定電圧制御を行っているため、三相インバータ３の出力電力の和（=Pa+Pb+Pc）は一定とならず、商用周波数の整数倍のリップルを含む（図９(c)）。燃料電池２の発電電圧Vinはほぼ一定であるため、燃料電池２の発電電流Ifcにもリップル成分が現れることになる（図９(d)）。そして、燃料電池１の発電電流Ifcに応じて燃料流量を制御することになる。

ここで、発電電流Ifcのリップルの変化速度は、燃料電池１に供給される改質ガスが実際に変化する応答速度に比較して速い。例えば、リップルの変化速度が商用周波数（５０Ｈｚ／６０Ｈｚ）の6倍程度であるのに対して、燃料流量が変更されこの変更に伴って燃料電池２に実際に供給される改質ガスの流量が変化するまで５〜１０秒程度要することもある。

このため、燃料電池１の発電電流Ifcに見合った流量となるように原燃料の流量制御を行ったとしても、燃料電池に実際に供給される改質ガスの流量変化が追いつかず、燃料電池が燃料不足となる状態が発生し、燃料電池本体が劣化する可能性がある。

前述のように、燃料を予め多めに投入することにより、燃料不足傾向となることを抑制することはできるが、リップルの大きさによっては燃料不足が生じることになり、リップルを見込んで燃料をさらに多めに投入すると、燃料の無駄な消費につながる。

そこで、自立運転時に、負荷が不平衡状態である場合であっても、燃料不足傾向となることを的確に回避するために、負荷が不平衡状態であるときには、燃料電池発電装置の出力電力が平衡状態となるようにダミー負荷の各相間可変抵抗の抵抗値を算出し、算出した抵抗値を実現するようにダミー抵抗を選択・接続することで、燃料電池装置の出力各相間の負荷容量の総和は同値となり出力電力を平衡状態とする方法（特許文献２）が提案されている。

特開平１１−３１５２１号公報 特願２００８−１５１８０２

しかしながら、特許文献２に記載された方法は、平衡状態とするためのダミー負荷の各相間可変負荷の抵抗値を各相線電流検出値から算出し、その抵抗値を満足する抵抗を特定し、その特定した抵抗に対応するスイッチ（燃料電池発電装置の出力に該抵抗を接続するスイッチ）のみを閉状態とする、といった複雑な制御を行わなければならないという問題があった。また、平衡状態とするためにダミー負荷に電力を消費させているので燃料電池の発生電力を無駄に消費するという問題があった。

本発明は、自立運転時に負荷が不平衡状態である場合であっても燃料不足傾向となることを回避する際に、上記従来技術の問題点を解決し、複雑な制御を行うことなく、かつ無駄な電力消費を抑制した、出力電力を平衡状態にする燃料電池発電装置を提供することを課題とする。

本発明の燃料電池発電装置は、燃料電池と、燃料電池で発電された直流電力を三相の交流電力に変換する三相インバータと、三相インバータの三相出力が接続され、かつ三相交流電力が供給される三相負荷が接続される三相出力端子と、三相インバータで変換された三相の交流電力を単相の交流電力に変換する三相入力単相出力変換装置と、三相入力単相出力変換装置の単相出力が接続され、かつ単相交流電力が供給される単相負荷が接続される単相出力端子と、を備えている。このように、三相出力端子には三相負荷を接続し、単相出力端子には単相負荷を接続しているので、燃料電池からみた負荷を三相平衡負荷とみなすことができる。

本発明によれば、燃料電池発電装置に設置された三相出力端子と単相出力端子に、三相負荷と単相負荷をそれぞれ接続することにより、複雑な制御をすることなく、かつ無駄な電力消費をすることなく、燃料電池からみた負荷を三相平衡負荷とみなすことができる。それゆえ、顧客負荷が不平衡状態であることに起因して燃料電池の発電電流にリップルが生じることを回避することができる。

本発明の第１の実施形態に係る燃料電池発電装置の構成を示す概略図である。 図１の三相入力単相出力変換装置６の一例を示す回路図である。 図１の三相入力単相出力変換装置６の別の例を示す回路図である。 本発明の第１の実施形態に係る燃料電池発電装置の動作の一例を説明するための波形図である。 本発明の第２の実施形態に係る燃料電池発電装置の概略図である。 図５の単相インバータ８の一例を示す回路図である。 従来の燃料電池発電装置の概略図である。 図７の三相インバータ３の一例を示す回路図である。 従来の燃料電池発電装置において負荷不平衡状態での各部の波形図である。

以下、本発明の実施の形態について、添付図面を参照して詳細に説明する。
［第１の実施形態］
図１は本発明の第1の実施形態に係る燃料電池発電装置１の構成を示す概略図である。

燃料電池２は直流電力を発電する。燃料電池２が発電した直流電力が三相インバータ３に入力される。三相インバータ３の回路例を図８に示す。三相インバータ３は、燃料電池２からの直流電力を三相の交流電力に変換する。燃料電池発電装置１の三相出力端子４には、三相インバータ３の三相出力が接続される。さらに、三相インバータ３の三相出力は、三相入力単相出力変換装置６に入力される。燃料電池発電装置１の単相出力端子５には、三相入力単相出力変換装置６の単相出力が接続される。

顧客負荷７には三相負荷７１と単相負荷７２がある。顧客負荷７のうち、三相負荷７１は燃料電池発電装置１の三相出力端子４に接続され、単相負荷７２は単相出力端子５に接続される。

三相入力単相出力変換装置６には、交流電力を直接交流電力に変換する装置と、交流電力を直流電力に変換しその直流電力を交流電力に変換する装置がある。前者の変換装置の具体例として、ＰＷＭサイクロコンバータ、マトリクスコンバータなどがある。後者の変換装置のうち交流電力を直流電力に変換する装置の具体例として、整流回路、多重整流回路、ＰＷＭコンバータなどがある。後者の変換装置のうち直流電力を交流電力に変換する装置の具体例として、単相インバータ（センタタップトランス方式、ハーフブリッジ回路、フルブリッジ回路）、直列単相多重インバータ、単相多重インバータ、ＰＷＭインバータ、瞬時値制御形インバータなどがある。

三相入力単相出力変換装置６の後者の変換装置の回路構成例を図２に示す。図２は、整流回路６１とＰＷＭインバータ６２から構成される。三相入力単相出力変換装置６の後者の変換装置の別の回路構成例を図３に示す。図３は、ＰＷＭコンバータ６３とＰＷＭインバータ６２から構成される。なお、図２や図３は、三相入力単相出力変換装置６の回路構成の一例であり、三相入力を単相出力に変換する回路構成であればどのようなものでも良い。

次に図１の燃料電池発電装置１の動作を説明する。図４は本発明の動作の一例を説明するための波形図である。図１に示すように、単相出力端子５には顧客負荷７のうち単相負荷７２が接続される。また、燃料電池発電装置１内では、三相インバータ３の出力三相電力が三相入力単相出力変換装置６で単相電力に変換され、その単相電力が単相出力端子５に接続されている。これにより、燃料電池発電装置１から見た単相負荷７２も三相平衡負荷とみなすことができる。したがって、三相インバータ３の出力電流（ia, ib, ic）は三相平衡となり（図４（ｂ））、三相インバータ３は定電圧制御で運転されている（図４（ａ））ので、三相インバータ３の三相出力電力の和（=Pa+Pb+Pc）は一定となる（図４（ｃ））。その結果、燃料電池２の出力電流Ifcを一定とすることができる（図４（ｄ））。

［第２の実施形態］
図５は本発明の第２の実施形態に係る燃料電池発電装置１の構成を示す概略図である。図１の装置と同じ機能部材には同一の番号を付して説明を省略する。

燃料電池２が発電した直流電力が単相インバータ８に入力される。単相インバータ８は、燃料電池２からの直流電力を単相の交流電力に変換する。
次に図５の燃料電池発電装置１の動作を説明する。図５に示すように、顧客負荷７のうち単相負荷７２は単相出力端子５に接続される。図５から明らかなように、燃料電池から見た顧客負荷は平衡負荷である。従って、図１の装置と同様に、燃料電池２の出力電流Ifcを一定とすることができる。

図６に単相インバータ８の回路例（単相ＰＷＭインバータ）を示す。図６の単相インバータ８の回路例と、図２や図３の三相入力単相出力変換装置６の回路例を比較すると、図６の方が回路を構成するパワー半導体素子が少ないことが分かる。したがって、図６、図２や図３の回路例の場合は、図５の第２の実施形態に係る燃料電池発電装置１は、図１の第１の実施形態に係る燃料電池発電装置１に比べてコストを低減できる。

１ 燃料電池発電装置
２ 燃料電池
３ 三相インバータ
４ 三相出力端子
５ 単相出力端子
６ 三相入力単相出力変換装置
６１ 整流回路
６２ ＰＷＭインバータ
６３ ＰＷＭコンバータ
７ 顧客負荷
７１ 三相負荷
７２ 単相負荷
８ 単相インバータ

Claims (8)

1. 燃料電池と、
   前記燃料電池で発電された直流電力を三相の交流電力に変換する三相インバータと、
   前記三相インバータの三相出力が接続され、かつ三相交流電力が供給される三相負荷が接続される三相出力端子と、
   前記三相インバータで変換された三相の交流電力を単相の交流電力に変換する三相入力単相出力変換装置と、
   前記三相入力単相出力変換装置の単相出力が接続され、かつ単相交流電力が供給される単相負荷が接続される単相出力端子と、
   を備えた燃料電池発電装置。
2. 前記三相入力単相出力変換装置は、交流交流直接変換装置である請求項１に記載の燃料電池発電装置。
3. 前記交流交流直接変換装置は、ＰＷＭサイクロコンバータである請求項２に記載の燃料電池発電装置。
4. 前記交流交流直接変換装置は、マトリクスコンバータである請求項２に記載の燃料電池発電装置。
5. 前記三相入力単相出力変換装置は、前記三相インバータの三相出力を直流に変換する三相入力直流出力変換回路と、前記三相入力直流出力変換回路の直流出力を単相交流電力に変換する直流入力単相出力変換回路と、を有する請求項１に記載の燃料電池発電装置。
6. 前記三相入力直流出力変換回路は、整流回路であり、前記直流入力単相出力変換回路は、ＰＷＭインバータである、請求項５に記載の燃料電池発電装置。
7. 前記三相入力直流出力変換回路は、ＰＷＭコンバータであり、前記直流入力単相出力変換回路は、ＰＷＭインバータである、請求項５に記載の燃料電池発電装置。
8. 燃料電池と、
   前記燃料電池で発電された直流電力を三相の交流電力に変換する三相インバータと、
   前記三相インバータの三相出力が接続され、かつ三相交流電力が供給される三相負荷が接続される三相出力端子と、
   前記燃料電池で発電された直流電力を単相の交流電力に変換する単相インバータと、
   前記単相インバータの単相出力が接続され、かつ単相交流電力が供給される単相負荷が接続される単相出力端子と、
   を備えた燃料電池発電装置。

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