JP3473174B2 - 燃料電池発電装置用の電力変換装置 - Google Patents
燃料電池発電装置用の電力変換装置Info
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- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
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- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
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- Supply And Distribution Of Alternating Current (AREA)
- Fuel Cell (AREA)
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、燃料電池で発電した直
流電力を商用の交流電力に変換して電力系統に給電する
燃料電池発電装置用の電力変換装置に関する。
流電力を商用の交流電力に変換して電力系統に給電する
燃料電池発電装置用の電力変換装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】頭記した燃料電池発電装置用の電力変換
装置としては一般にインバータが採用されており、さら
にインバータの電力変換効率を高めるために、インバー
タの前端に昇圧チョッパを組合わせ、燃料電池の出力電
圧をチョッパ制御により昇圧してインバータに入力する
ようにしたものが知られている。
装置としては一般にインバータが採用されており、さら
にインバータの電力変換効率を高めるために、インバー
タの前端に昇圧チョッパを組合わせ、燃料電池の出力電
圧をチョッパ制御により昇圧してインバータに入力する
ようにしたものが知られている。
【０００３】図４はかかる昇圧チョッパと組合わせた燃
料電池発電装置用電力変換装置の回路図（単線図）であ
り、図において、１は燃料電池、２はインバータ、３は
インバータ２の前段に接続した昇圧チョッパ、４は商用
の電力系統（３相）、５は系統電源、６は系統負荷、７
は連系スイッチであり、昇圧チョッパ３は周知のように
リアクトルＬ，半導体スイッチング素子Ｔｒ，ダイオー
ドＤ，およびコンデンサＣの組合わせからなる。なお、
８は前記コンデンサＣの放電抵抗，９は燃料電池１の運
転停止時に投入する放電用スイッチである。
料電池発電装置用電力変換装置の回路図（単線図）であ
り、図において、１は燃料電池、２はインバータ、３は
インバータ２の前段に接続した昇圧チョッパ、４は商用
の電力系統（３相）、５は系統電源、６は系統負荷、７
は連系スイッチであり、昇圧チョッパ３は周知のように
リアクトルＬ，半導体スイッチング素子Ｔｒ，ダイオー
ドＤ，およびコンデンサＣの組合わせからなる。なお、
８は前記コンデンサＣの放電抵抗，９は燃料電池１の運
転停止時に投入する放電用スイッチである。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】ところで、前記のよう
にインバータに昇圧チョッパを組合わせた電力変換装置
では、特に燃料電池の起動過程で次記のような問題点が
発生する。すなわち、燃料電池１は「起動」，「待機運
転」の運転モードを経て電力系統４との「連係運転」に
移行される。この場合に、燃料電池１の起動過程では、
反応ガス（水素，空気）を供給しない状態で燃料電池を
予熱した後、インバータ２の停止状態で燃料電池の水素
電極，空気電極へ水素リッチな燃料ガス，空気を導入し
て発電を開始し、燃料ガスの供給量を徐々に増量して燃
料電池の出力電圧ＶFCが所定のオープン電圧ＶFCopen
（無負荷電圧）まで高めるとともに、発電に伴う電池反
応熱により燃料電池自身を所定の運転温度まで昇温させ
て起動を確立する。次いで、インバータ２を単独運転と
して待機運転状態に移行させ、その後にインバータ２を
制御して連系スイッチ７の前後の電圧，位相を合わせ、
連系スイッチ７をＯＮにして電力系統４に併入する。
にインバータに昇圧チョッパを組合わせた電力変換装置
では、特に燃料電池の起動過程で次記のような問題点が
発生する。すなわち、燃料電池１は「起動」，「待機運
転」の運転モードを経て電力系統４との「連係運転」に
移行される。この場合に、燃料電池１の起動過程では、
反応ガス（水素，空気）を供給しない状態で燃料電池を
予熱した後、インバータ２の停止状態で燃料電池の水素
電極，空気電極へ水素リッチな燃料ガス，空気を導入し
て発電を開始し、燃料ガスの供給量を徐々に増量して燃
料電池の出力電圧ＶFCが所定のオープン電圧ＶFCopen
（無負荷電圧）まで高めるとともに、発電に伴う電池反
応熱により燃料電池自身を所定の運転温度まで昇温させ
て起動を確立する。次いで、インバータ２を単独運転と
して待機運転状態に移行させ、その後にインバータ２を
制御して連系スイッチ７の前後の電圧，位相を合わせ、
連系スイッチ７をＯＮにして電力系統４に併入する。
【０００５】この場合に、前記の起動過程では図５で表
すように燃料電池１に燃料ガスを導入開始すると、ガス
供給量の増加とほぼ比例する形で燃料電池１の出力電圧
ＶFCがオープン電圧ＶFCopenまで上昇する。一方、昇圧
チョッパ３のコンデンサＣに対する充電電圧ＶC も燃料
電池１の出力電圧ＶFCに比例して上昇し、コンデンサＣ
の充電電流ＩC がリアクトルＬ，ダイオードＤを通じて
流れる。
すように燃料電池１に燃料ガスを導入開始すると、ガス
供給量の増加とほぼ比例する形で燃料電池１の出力電圧
ＶFCがオープン電圧ＶFCopenまで上昇する。一方、昇圧
チョッパ３のコンデンサＣに対する充電電圧ＶC も燃料
電池１の出力電圧ＶFCに比例して上昇し、コンデンサＣ
の充電電流ＩC がリアクトルＬ，ダイオードＤを通じて
流れる。
【０００６】ところで、ダイオードＤは順方向の印加電
圧がえん層電圧（立ち上がり電圧）ＶD を超えない間は
通電せず、この間はコンデンサＣの充電電流ＩC もゼロ
である。そして、燃料電池の出力電圧ＶFCがダイオード
Ｄのえん層電圧ＶD に達するとコンデンサＣへの充電が
始まり、燃料電池１にはその出力電流ＩFCがゼロから急
激に増大するような突入電流が流れる。
圧がえん層電圧（立ち上がり電圧）ＶD を超えない間は
通電せず、この間はコンデンサＣの充電電流ＩC もゼロ
である。そして、燃料電池の出力電圧ＶFCがダイオード
Ｄのえん層電圧ＶD に達するとコンデンサＣへの充電が
始まり、燃料電池１にはその出力電流ＩFCがゼロから急
激に増大するような突入電流が流れる。
【０００７】一方、この起動開始の初期時点では燃料電
池１への燃料ガス供給量も未だ少ないことから、前記の
突入電流が流れると水素電極での燃料ガス消費が増加し
てそのガス利用率が極端に高まり、このために燃料ガス
の供給量が増大するまでの間に一時的にしろ燃料ガスが
不足ぎみとなって所謂ガス欠の状態となる。しかもこの
ガス欠状態になると、燃料電池の電極面域で局部的に電
池反応の行われる部分と電池反応の行われない部分とが
生じ、このために電極に大きな熱的ストレスが加わった
り，電極触媒が劣化したりして燃料電池に特性低下など
のダメージを与える原因となる。特にオンサイト用燃料
電池発電装置のように、系統側の電力需要に応じて運
転，停止を行うものでは、起動の繰り返しにより燃料電
池のダメージが大きくなるおそれがある。
池１への燃料ガス供給量も未だ少ないことから、前記の
突入電流が流れると水素電極での燃料ガス消費が増加し
てそのガス利用率が極端に高まり、このために燃料ガス
の供給量が増大するまでの間に一時的にしろ燃料ガスが
不足ぎみとなって所謂ガス欠の状態となる。しかもこの
ガス欠状態になると、燃料電池の電極面域で局部的に電
池反応の行われる部分と電池反応の行われない部分とが
生じ、このために電極に大きな熱的ストレスが加わった
り，電極触媒が劣化したりして燃料電池に特性低下など
のダメージを与える原因となる。特にオンサイト用燃料
電池発電装置のように、系統側の電力需要に応じて運
転，停止を行うものでは、起動の繰り返しにより燃料電
池のダメージが大きくなるおそれがある。
【０００８】本発明は上記の点にかんがみなされたもの
であり、インバータの前段に昇圧チョッパを組合わせた
電力変換装置を実施対象に前記課題を解決し、燃料電池
の起動過程で昇圧チョッパのコンデンサへの突入電流に
伴うガス欠状態の発生，並びにガス欠に起因する燃料電
池のダメージを巧みに防止できるようにした燃料電池発
電装置用の電力変換装置を提供することにある。
であり、インバータの前段に昇圧チョッパを組合わせた
電力変換装置を実施対象に前記課題を解決し、燃料電池
の起動過程で昇圧チョッパのコンデンサへの突入電流に
伴うガス欠状態の発生，並びにガス欠に起因する燃料電
池のダメージを巧みに防止できるようにした燃料電池発
電装置用の電力変換装置を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明によれば、燃料電池で発電した直流電力を商
用の交流電力に変換して電力系統に給電する燃料電池発
電装置用の電力変換装置であり、該電力変換装置がイン
バータと、インバータの前段に接続した昇圧チョッパと
の組合せからなるものにおいて、燃料電池の起動時、燃
料電池への反応ガス導入開始前に昇圧チョッパ回路のコ
ンデンサに対して電力系統から受電して前記コンデンサ
を所定の動作電圧まで充電する初期充電回路を備えるも
のとする。
に、本発明によれば、燃料電池で発電した直流電力を商
用の交流電力に変換して電力系統に給電する燃料電池発
電装置用の電力変換装置であり、該電力変換装置がイン
バータと、インバータの前段に接続した昇圧チョッパと
の組合せからなるものにおいて、燃料電池の起動時、燃
料電池への反応ガス導入開始前に昇圧チョッパ回路のコ
ンデンサに対して電力系統から受電して前記コンデンサ
を所定の動作電圧まで充電する初期充電回路を備えるも
のとする。
【００１０】１）初期充電回路を、電力系統に接続して
系統電圧を直流に変換する整流回路と、該整流回路と昇
圧チョッパのコンデンサとの間に接続した充電抵抗，お
よび充電用スイッチとの組合わせから構成する。 ２）前項１）において、初期充電回路の充電抵抗とし
て、昇圧チョッパ回路のコンデンサの放電抵抗を用い
る。
系統電圧を直流に変換する整流回路と、該整流回路と昇
圧チョッパのコンデンサとの間に接続した充電抵抗，お
よび充電用スイッチとの組合わせから構成する。 ２）前項１）において、初期充電回路の充電抵抗とし
て、昇圧チョッパ回路のコンデンサの放電抵抗を用い
る。
【００１１】３）前項１）において、初期充電回路の整
流回路として、インバータ回路のスイッチング素子に接
続したフライホイールダイオードを用いる。
流回路として、インバータ回路のスイッチング素子に接
続したフライホイールダイオードを用いる。
【００１２】
【作用】前記構成で、燃料電池の起動時には電池電極へ
の反応ガス導入開始に先立って初期充電回路の充電用ス
イッチをＯＮにし、電力系統側からの受電により昇圧チ
ョッパ回路のコンデンサを所定の動作電圧まで充電して
おく。したがって、燃料電池への反応ガス供給開始後に
その出力電圧が昇圧チョッパに組み込んだダイオードの
えん層電圧に到達した際でも、コンデンサは既に充電状
態にあるので突入電流の流れることがなく、これにより
燃料電池のガス欠，並びにガス欠に起因して燃料電池に
与える特性劣化のダメージを防ぐことができる。
の反応ガス導入開始に先立って初期充電回路の充電用ス
イッチをＯＮにし、電力系統側からの受電により昇圧チ
ョッパ回路のコンデンサを所定の動作電圧まで充電して
おく。したがって、燃料電池への反応ガス供給開始後に
その出力電圧が昇圧チョッパに組み込んだダイオードの
えん層電圧に到達した際でも、コンデンサは既に充電状
態にあるので突入電流の流れることがなく、これにより
燃料電池のガス欠，並びにガス欠に起因して燃料電池に
与える特性劣化のダメージを防ぐことができる。
【００１３】
【実施例】以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明
する。なお、各実施例の図中で図４に対応する同一部材
には同じ符号が付してある。 実施例１：図１は本発明の請求項２に対応する実施例を
示すものであり、昇圧チョッパ３のコンデンサＣと電力
系統４との間には、前記コンデンサＣに対する初期充電
回路１０が新たに追加装備されている。この初期充電回
路１０は、系統４の交流を直流に変換する整流器回路
（三相全波整流回路）１１と、充電用スイッチ１２と、
充電抵抗１３との組合わせから回路構成されている。そ
して、燃料電池１の起動時には、燃料電池への反応ガス
導入開始に先立って充電用スイッチ１２をＯＮに投入す
る。これにより、昇圧チョッパ３のコンデンサＣは、電
力系統４側から整流回路１１，充電抵抗１３を通じて充
電電流ＩC が流れ、所定の充電電圧ＶCに充電される。
する。なお、各実施例の図中で図４に対応する同一部材
には同じ符号が付してある。 実施例１：図１は本発明の請求項２に対応する実施例を
示すものであり、昇圧チョッパ３のコンデンサＣと電力
系統４との間には、前記コンデンサＣに対する初期充電
回路１０が新たに追加装備されている。この初期充電回
路１０は、系統４の交流を直流に変換する整流器回路
（三相全波整流回路）１１と、充電用スイッチ１２と、
充電抵抗１３との組合わせから回路構成されている。そ
して、燃料電池１の起動時には、燃料電池への反応ガス
導入開始に先立って充電用スイッチ１２をＯＮに投入す
る。これにより、昇圧チョッパ３のコンデンサＣは、電
力系統４側から整流回路１１，充電抵抗１３を通じて充
電電流ＩC が流れ、所定の充電電圧ＶCに充電される。
【００１４】この場合に、交流を三相全波整流する整流
回路１１の直流出力電圧ＶDCの平均値は、電力系統4 の
電圧 (実効値) をＶS として、ＶDC＝ＶS ×1.３５とし
て表される。ここで、系統電圧ＶS が２００Ｖであれ
ば、整流回路の直流出力電圧の平均値ＶDC，したがって
コンデンサＣの充電電圧ＶC は２７０Ｖとなる。これに
対して、昇圧チョッパ３を用いた燃料電池１では、一般
的にその直流出力電圧（オープン電圧）が系統電圧と較
べて低い出力電圧値となるように設計されている。これ
により、燃料電池１へ燃料ガスを導入開始し、その発電
による出力電圧が上昇する過程でもコンデンサの充電電
流に起因する突入電流の流れることがなく、したがって
突入電流に伴う燃料ガスのガス欠状態の発生、並びにガ
ス欠に起因する燃料電池のダメージを防止できる。
回路１１の直流出力電圧ＶDCの平均値は、電力系統4 の
電圧 (実効値) をＶS として、ＶDC＝ＶS ×1.３５とし
て表される。ここで、系統電圧ＶS が２００Ｖであれ
ば、整流回路の直流出力電圧の平均値ＶDC，したがって
コンデンサＣの充電電圧ＶC は２７０Ｖとなる。これに
対して、昇圧チョッパ３を用いた燃料電池１では、一般
的にその直流出力電圧（オープン電圧）が系統電圧と較
べて低い出力電圧値となるように設計されている。これ
により、燃料電池１へ燃料ガスを導入開始し、その発電
による出力電圧が上昇する過程でもコンデンサの充電電
流に起因する突入電流の流れることがなく、したがって
突入電流に伴う燃料ガスのガス欠状態の発生、並びにガ
ス欠に起因する燃料電池のダメージを防止できる。
【００１５】実施例２：図２は本発明の請求項３に対応
する応用実施例を示すものであり、この実施例において
は、先記実施例１における充電抵抗１３を省略し、その
代わりに昇圧チョッパ３のコンデンサＣに接続した放電
用抵抗８を充電抵抗として兼用するようにして初期充電
回路１０を構成したものである。これにより回路部品が
少なくて済み、回路構成が簡素となる。
する応用実施例を示すものであり、この実施例において
は、先記実施例１における充電抵抗１３を省略し、その
代わりに昇圧チョッパ３のコンデンサＣに接続した放電
用抵抗８を充電抵抗として兼用するようにして初期充電
回路１０を構成したものである。これにより回路部品が
少なくて済み、回路構成が簡素となる。
【００１６】実施例３：図３（ａ),（ｂ）は本発明の請
求項４に対応する別な応用実施例を示すものである。こ
の実施例においては、先記実施例１にける整流回路１１
を省略し、その代わりにインバータ２に組み込まれたフ
ライホイールダイオードを利用して電力系統４から受電
した交流を直流に変換して昇圧チョッパ３のコンデンサ
Ｃを充電するようにしている。すなわち、（ｂ）図に示
したインバータ２の回路では、サイリスタ，パワートラ
ンジスタ（ＩＧＢＴなど）などで３相ブリッジ回路を構
成した各半導体スイッチング素子Ｔｒごとにフライホイ
ールダイオードＦＤが並列接続されている。したがっ
て、このフライホイールダイオードＦＤを初期充電回路
１０の３相全波整流回路として利用することにより、電
力系統４から受電した交流を整流して昇圧チョッパ３の
コンデンサＣを充電することができ、初期充電回路１０
の構成がより一層簡素となる。
求項４に対応する別な応用実施例を示すものである。こ
の実施例においては、先記実施例１にける整流回路１１
を省略し、その代わりにインバータ２に組み込まれたフ
ライホイールダイオードを利用して電力系統４から受電
した交流を直流に変換して昇圧チョッパ３のコンデンサ
Ｃを充電するようにしている。すなわち、（ｂ）図に示
したインバータ２の回路では、サイリスタ，パワートラ
ンジスタ（ＩＧＢＴなど）などで３相ブリッジ回路を構
成した各半導体スイッチング素子Ｔｒごとにフライホイ
ールダイオードＦＤが並列接続されている。したがっ
て、このフライホイールダイオードＦＤを初期充電回路
１０の３相全波整流回路として利用することにより、電
力系統４から受電した交流を整流して昇圧チョッパ３の
コンデンサＣを充電することができ、初期充電回路１０
の構成がより一層簡素となる。
【００１７】
【発明の効果】以上述べたように、本発明の構成によれ
ば、起動時における燃料電池への反応ガス導入開始に先
立って、インバータの前段に組合わせた昇圧チョッパの
コンデンサを電力系統から初期充電回路を通じて所定の
動作電圧まで充電することができる。したがって、従来
のように燃料電池の起動時に反応ガス導入開始して電池
の出力電圧を高めていく過程で昇圧チョッパのコンデン
サ充電による突入電流、並びにこの突入電流に伴う燃料
電池のガス欠発生を防ぎ、このガス欠に起因する特性劣
化などのダメージを防止して燃料電池の信頼性向上が図
れる。
ば、起動時における燃料電池への反応ガス導入開始に先
立って、インバータの前段に組合わせた昇圧チョッパの
コンデンサを電力系統から初期充電回路を通じて所定の
動作電圧まで充電することができる。したがって、従来
のように燃料電池の起動時に反応ガス導入開始して電池
の出力電圧を高めていく過程で昇圧チョッパのコンデン
サ充電による突入電流、並びにこの突入電流に伴う燃料
電池のガス欠発生を防ぎ、このガス欠に起因する特性劣
化などのダメージを防止して燃料電池の信頼性向上が図
れる。
【図１】本発明の実施例１に対応する初期充電回路の回
路構成図
路構成図
【図２】本発明の実施例２に対応する初期充電回路の回
路構成図
路構成図
【図３】本発明の実施例３に対応する回路構成図であ
り、（ａ）は初期充電回路の回路図、（ｂ）は（ａ）図
におけるインバータの回路図
り、（ａ）は初期充電回路の回路図、（ｂ）は（ａ）図
におけるインバータの回路図
【図４】昇圧チョッパと組合わせた従来における燃料電
池発電装置の電力変換装置の回路図
池発電装置の電力変換装置の回路図
【図５】図４における燃料電池の起動時における燃料ガ
ス導入と電池出力電圧，コンデンサの充電電流，充電電
圧の変化との関係を表すタイムチャート図
ス導入と電池出力電圧，コンデンサの充電電流，充電電
圧の変化との関係を表すタイムチャート図
１ 燃料電池
２ インバータ
３ 昇圧チョッパ
４ 電力系統
８ 放電抵抗
１０ 初期充電回路
１１ 整流回路
１２ 充電用スイッチ
１３ 充電抵抗
Ｃ 昇圧チョッパのコンデンサ
ＦＤ チョッパのフライホイールダイオード
フロントページの続き
(58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名)
H01M 8/04
H01M 8/00
H02J 3/38
Claims (4)
- 【請求項１】燃料電池で発電した直流電力を商用の交流
電力に変換して電力系統に給電する燃料電池発電装置用
の電力変換装置であり、該電力変換装置がインバータ
と、インバータの前段に接続した昇圧チョッパとの組合
せからなるものにおいて、燃料電池の起動時、燃料電池
への反応ガス導入開始前に昇圧チョッパ回路のコンデン
サに対して電力系統から受電して前記コンデンサを所定
の動作電圧まで充電する初期充電回路を備えたことを特
徴とする燃料電池発電装置用の電力変換装置。 - 【請求項２】請求項１記載の電力変換装置において、初
期充電回路が、電力系統に接続して系統電圧を直流に変
換する整流回路と、該整流回路と昇圧チョッパのコンデ
ンサとの間に接続した充電抵抗，および充電用スイッチ
との組合わせからなることを特徴とする燃料電池発電装
置用の電力変換装置。 - 【請求項３】請求項２記載の電力変換装置において、初
期充電回路の充電抵抗として、昇圧チョッパ回路のコン
デンサの放電抵抗を用いたことを特徴とする燃料電池発
電装置用の電力変換装置。 - 【請求項４】請求項２記載の電力変換装置において、初
期充電回路の整流回路として、インバータ回路のスイッ
チング素子に接続したフライホイールダイオードを用い
たことを特徴とする燃料電池発電装置用の電力変換装
置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP12603595A JP3473174B2 (ja) | 1995-05-25 | 1995-05-25 | 燃料電池発電装置用の電力変換装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP12603595A JP3473174B2 (ja) | 1995-05-25 | 1995-05-25 | 燃料電池発電装置用の電力変換装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH08321319A JPH08321319A (ja) | 1996-12-03 |
| JP3473174B2 true JP3473174B2 (ja) | 2003-12-02 |
Family
ID=14925071
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP12603595A Expired - Fee Related JP3473174B2 (ja) | 1995-05-25 | 1995-05-25 | 燃料電池発電装置用の電力変換装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3473174B2 (ja) |
Families Citing this family (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP4545285B2 (ja) | 2000-06-12 | 2010-09-15 | 本田技研工業株式会社 | 燃料電池車両の起動制御装置 |
| JP2006313665A (ja) * | 2005-05-06 | 2006-11-16 | Kawamura Electric Inc | 燃料電池の暖気システム |
| JP2011050191A (ja) * | 2009-08-27 | 2011-03-10 | Noritz Corp | 発電システム |
| JP2012248503A (ja) * | 2011-05-31 | 2012-12-13 | Noritz Corp | 発電システム |
| CN102916205A (zh) * | 2011-08-05 | 2013-02-06 | 全琎 | 一种燃料电池能量可控输出装置及控制方法 |
| JP7472479B2 (ja) * | 2019-12-09 | 2024-04-23 | 富士電機株式会社 | 発電システムおよび電力変換装置 |
-
1995
- 1995-05-25 JP JP12603595A patent/JP3473174B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH08321319A (ja) | 1996-12-03 |
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