JP5130414B2 - 燃料電池発電システムおよびその制御方法 - Google Patents

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Description

本発明は、燃料電池発電システムおよびその制御方法に関し、特に、発電電力をフィードバック制御する燃料電池発電システムおよびその制御方法に関するものである。
従来、燃料電池本体の出力電流および出力電圧をセンサで検出し、この検出値に基づき、燃料電池本体の発電を制御する燃料電池発電システムが知られている（第1従来例：例えば、特許文献１参照）。
また、更なるエネルギー利用効率の向上を図った燃料電池発電システムが知られている（第２従来例：例えば、特許文献２参照）。この燃料電池発電システムでは、発電部の発電前には、系統電源からの交流電力がＡＣ／ＤＣコンバータで直流電力に変換されて、直流電力が制御器やアクチュエータなどに供給される。発電部が発電を開始すると、発電された直流電力が、制御器やアクチュエータなどにＤＣ／ＤＣコンバータを介して供給される。このように、燃料電池発電システムが発電状態にあるとき、制御器やアクチュエータなどに、動作用の電力がＡＣ／ＤＣコンバータを経由することなく供給される。これにより、電力の変換ロスなどが低減され、燃料電池発電システムのエネルギー利用効率の向上が図られる。
特開平８−１６２１３８号公報 特開２００８−１３５２００号公報
しかしながら、上述の第２従来例は、発電電力の制御に必要な電流検出の構成について全く言及していない。このため、エネルギー利用効率を向上し、かつ発電電力の制御に必要な電流検出の構成を簡素化するという観点から改善の余地があった。
本発明はこのような課題を解決するためになされたものであり、エネルギー利用効率の向上が可能でかつ発電電力の制御に必要な電流検出の構成を簡素化できる燃料電池発電システムおよびその制御方法を提供することを目的としている。
本発明者等は、上述の第１従来例及び第２従来例において、以下の点に着目した。
一般に、第１及び第２従来例のような構成では、燃料電池本体（第２従来例では発電部）の発電電力は、燃料電池本体から取り出して外部に出力する電流を直交変換器（第２従来例ではインバータ）を用いて調整するとともに、この取り出す電流に合わせて燃料（第２従来例では水素ガス）及び空気（第２従来例では酸化剤ガス）の供給量を調整することによって制御される。この制御を行うには燃料電池本体から取り出す電流の値を検出する必要がある。第１従来例では、燃料電池本体の出力電流が全て直交変換器に入力されるので、この直交変換器に入力される電流を検出すればよい。従って、発電電力の制御に必要な電流検出の構成は簡単である。
一方、第２従来例のような構成では、発電部の発電電力を、発電部から取り出して外部に出力する電流をインバータを用いて調整するとともに、インバータと内部負荷（制御器やアクチュエータなど）との双方に発電部から出力する電流に合わせて水素ガス及び酸化剤ガスの供給量を調整することによって制御する必要がある。従って、この制御を行うには、インバータの電流を調整するためにインバータの電流を検出する必要があり、かつ、水素ガス及び酸化剤ガスの供給量を調整するために、発電部から出力する電流を検出する必要がある。つまり、発電電力の制御には２つの電流を検出することが必要であり、単純に当該２つの電流を２つのセンサを用いてそれぞれ検出すると、発電電力の制御に必要な電流検出の構成が複雑になる。
そこで、本発明のある形態に係る、燃料電池発電システムは、燃料ガスと酸化剤ガスとを電気化学的に反応させて発電する発電部と、電力を消費して前記発電部を発電動作させる内部負荷と、入力される直流電力を交流電力に変換して外部に出力し、かつ外部に出力する電力を調整するインバータと、前記発電部により発電された電力の電圧を検出する電圧検出器と、前記発電部により発電され、前記インバータと前記内部負荷との双方又は前記インバータに供給される電力の電流値を検出する電流検出器と、前記発電部が発電する目標電力を決定し、かつ前記インバータ及び内部負荷を制御する制御器と、を備え、前記制御器は、前記内部負荷の操作量に基づいて前記内部負荷へ供給される電流の値を推測し、前記電流検出器により検出された電流値と前記推測により得られた推測電流値とに基づいて、前記発電部により発電される電力が前記目標電力になるように前記インバータ及び内部負荷を制御するよう構成されている。
本発明は、以上に説明した構成を有し、エネルギー利用効率の向上が可能でかつ発電電力の制御に必要な電流検出の構成を簡素化できる燃料電池発電システムおよびその制御方法を提供することができるという効果を奏する。
本発明の上記目的、他の目的、特徴、及び利点は、添付図面参照の下、以下の好適な実施態様の詳細な説明から明らかにされる。
本発明の実施の形態２に係る燃料電池発電システムの構成を示す機能ブロック図である。 本発明の実施の形態３に係る燃料電池発電システムの構成を示す機能ブロック図である。 本発明の実施の形態４に係る燃料電池発電システムの構成を示す機能ブロック図である。 本発明の別の実施の形態に係る燃料電池発電システムの構成を示す機能ブロック図である。 本発明の実施の形態１に係る燃料電池発電システムの構成を示す機能ブロック図である。
本発明の実施の形態に係る燃料電池発電システムは、燃料ガスと酸化剤ガスとを電気化学的に反応させて発電する発電部と、電力を消費して前記発電部を発電動作させる内部負荷と、入力される直流電力を交流電力に変換して外部に出力し、かつ外部に出力する電力を調整するインバータと、前記発電部により発電された電力の電圧を検出する電圧検出器と、前記発電部により発電され、前記インバータと前記内部負荷との双方又は前記インバータに供給される電力の電流値を検出する電流検出器と、前記発電部が発電する目標電力を決定し、かつ前記インバータ及び内部負荷を制御する制御器と、を備え、前記制御器は、前記内部負荷の操作量に基づいて前記内部負荷へ供給される電流の値を推測し、前記電流検出器により検出された電流値と前記推測により得られた推測電流値とに基づいて、前記発電部により発電される電力が前記目標電力になるように前記インバータ及び内部負荷を制御するよう構成されている。
前記燃料電池発電システムは、前記燃料電池発電システムの運転量を検出する運転量検出部をさらに備え、前記制御器は、前記運転量検出部により検出された運転量に基づき、前記推測電流値を補正するよう構成されていてもよい。
前記燃料電池発電システムは、記燃料電池発電システムが設置される設置情報を取得するための取得部をさらに備え、前記制御器は、前記推測電流値を前記取得部で取得された設置情報に基づいて補正するよう構成されていてもよい。
前記内部負荷は、前記発電部に前記酸化剤ガスとして空気を供給する空気供給器を有していてもよい。ここで、前記設置情報は、前記燃料電池発電システムが設置される高度を含み、前記制御器は、前記空気供給器へ供給される電流値を前記設置情報の前記高度に基づいて補正するよう構成されていてもよい。
本発明の実施の形態に係る燃料電池発電システムの制御方法は、燃料ガスと酸化剤ガスとを電気化学的に反応させて発電する発電部と、電力を消費して前記発電部を発電動作させる内部負荷と、入力される直流電力を交流電力に変換して外部に出力し、かつ外部に出力する電力を調整するインバータと、前記発電部により発電された電力の電圧を検出する電圧検出器と、前記発電部により発電され、前記インバータと前記内部負荷との双方又は前記インバータに供給される電力の電流値を検出する電流検出器と、前記発電部が発電する目標電力を決定し、かつ前記インバータ及び内部負荷を制御する制御器と、を備え、燃料電池発電システムの制御方法であって、前記制御器は、前記内部負荷の操作量に基づいて前記内部負荷へ供給される電流の値を推測し、前記電流検出器により検出された電流値と前記推測により得られた推測電流値とに基づいて、前記発電部により発電される電力が前記目標電力になるように前記インバータ及び内部負荷を制御する。
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しながら具体的に説明する。
なお、以下では全ての図面を通じて同一又は相当する要素には同一の参照符号を付して、その重複する説明を省略する。
（実施の形態１）
［構成］
図５は、実施の形態１に係る燃料電池発電システム１の構成を示す機能ブロック図である。なお、図５では、電流検出器１１を例示しているが、図４と同様に、電流検出器１１に代えて電流検出器２１を設けることもできる。
燃料電池発電システム１は、発電部８と、内部負荷１１０と、インバータ７と、電圧検出器１２と、電流検出器１１、２１と、制御器６と、を備える。
発電部８は、燃料ガスと酸化剤ガスとを電気化学的に反応させて、発電する。発電部８は、公知の種々のタイプの燃料電池で構成することができる。この発電部８により発電された直流電力は、インバータ７および内部負荷１１０に出力される。
なお、発電部８が立ち上っていない状態における受胎内部負荷１１０への電力供給は、たとえば、実施の形態２に示すように系統電源１００から行ったり、蓄電池（図示せず）から行ったりされる。
インバータ７は、入力される直流電力を交流電力に変換して外部に出力し、かつ外部に出力する電力を調整する。
電圧検出器１２は、発電部８により発電された電力の電圧を検出する。
電流検出器１１（図５）、２１（図４）は、発電部８により発電されインバータ７と内部負荷１１０との双方又はインバータ７に供給される電力の電流値を検出する。
制御器６は、電流検出器１１、２１により検出された電流値および内部負荷１１０の操作量のうちの少なくとも一方に基づいて、内部負荷１１０へ供給される電流の値を推測する。内部負荷１１０の操作量は、主にアクチュエータの操作量を意味し、たとえば、酸化剤ガス供給部１０において酸化剤ガスを供給する供給量調整可能なファンの回転数、燃料ガス供給部９において燃料ガスの供給量を調整する弁の開度、上述の発電電力量の制御系統を構成するスイッチのＯＮ／ＯＦＦなどが該当する。
制御器６は、発電部８が発電する目標電力を決定し、かつ発電部８が目標電力を発電するようインバータ７と、内部負荷１１０のうちのアクチュエータとを制御する。制御器６は、電流検出器１１、２１により検出された電流値および内部負荷１１０の操作量のうちの少なくとも一方に基づいて、内部負荷１１０へ供給される電流の値を推測する。制御器６は、電流検出器１１、２１により検出された電流値と推測により得られた電流値とに基づいて、発電部８により発電される電力が目標電力になるようにインバータ７及び内部負荷１１０を制御する。
［動作］
＜測電流値の推測＞
上記の構成の燃料電池発電システム１において、発電部８が発電している場合、発電部８により発電された直流電力は、内部負荷１１０と、インバータ７を介して外部負荷とに供給される。ここで、電圧検出器１２は発電電圧：Ｖｎを検出する。また、制御器６は、内部負荷１１０へ供給される電力の推測電流値を算出する。
この電流値の算出処理の１つの態様では、制御器６は、内部負荷１１０の操作量（正確には各要素の操作量）に基づいて内部負荷１１０に供給される電流値を推測する。内部負荷１１０を構成する各要素の消費電力は、各々の特性（仕様）と運転条件（使用条件）とに基づいて知ることができる。アクチュエータ以外の要素の消費電力は、概ね、発電部８の発電電力量に関わらずほぼ一定である。アクチュエータの消費電力は、概ね、その操作量に比例する。アクチュエータの操作量は、巨視的には、発電部８における発電電力量が増大するに連れて増大し、発電部８における発電電力量が減少するに連れて減少する。すなわち、アクチュエータの操作量は、概ね、発電部８における発電電力量の増減に対して単調に増減する。また、内部負荷１１０の消費電力においては、アクチュエータの消費電力が支配的である。従って、推測を簡略化する場合は、アクチュエータ以外の要素の消費電力を無視して、内部負荷１１０の消費電力は、概ね、アクチュエータの操作量に比例し、かつ、内部負荷１１０の消費電力は、概ね、発電部８における発電電力量の増減に対して単調に増減するとみなしてもよい。
このような内部負荷１１０の消費電力と内部負荷１１０の操作量との関係を用いて、内部負荷１１０の操作量から内部負荷１１０の消費電力を算出する。得られた内部負荷１１０の消費電力を電流値に換算することによって、内部負荷１１０へ供給される電流の推測値：ＩＡｎが求められる（正確には、内部負荷１１０の要素ごとに当該要素への供給電流の推測値が算出され、それらが合計されて内部負荷１１０への供給電流の推測値が算出される）。
また、電流値の算出処理の別の態様では、制御器６は、電流検出器１１、２１が検出した電流値に基づいて内部負荷１１０に供給される電流の値を推測する。この電流検出器１１、２１により検出された電流値は、インバータ７と内部負荷１１０との双方に供給される電力の電流値（発電部８の発電電流値）またはインバータ７に供給される電力の電流値（インバータ７への出力電流値）である。内部負荷１１０に供給される電流の値は、これらの発電電流値およびインバータ７への出力電流値と相関関係を有する。
すなわち、内部負荷１１０に供給される電流の値と発電電流値とに関して、上述のように、内部負荷１１０の消費電力は、概ね、発電部８における発電電力量の増減に対して単調に増減するという相関関係を有する。発電部８における発電電力量は、発電部８の発電電流値にほぼ比例するので、この相関関係を用いて、発電部８の発電電流値から内部負荷１１０に供給される電流の値を算出することができる。かくして、電流検出器２１により検出された電流値に基づいて内部負荷１１０の推測電流値が求められる。
また、上記では、内部負荷１１０の消費電力は、概ね、発電部８における発電電力量の増減に対して単調に増減すると述べた。この相関関係をさらに大雑把に把握すると、内部負荷１１０の消費電力は、概ね、発電部８における発電電力量に比例する。また、内部負荷１１０に供給される電流の値とインバータ７への出力電流値との比率は、概ね、一定である。従って、この相関関係を用いて、インバータ７への出力電流値から内部負荷１１０に供給される電流の値を算出することができる。かくして、電流検出器１１により検出された電流値に基づいて内部負荷１１０の推測電流値が求められる。
なお、内部負荷１１０の推測電流値は、最終的に、発電部８の発電電力の制御に必要な発電部８の発電電流値と、インバータ７から外部へ出力する電力の調整に必要なインバータ７への出力電流値との双方または一方を得るために用いられる。しかし、内部負荷１１０の電流値は、発電電流値およびインバータ７への出力電流値に比べて小さい。このため、仮に上述の相関関係に誤差があっても、得られた発電部８の発電電流値およびインバータ７への出力電流値への影響は小さくてすむ。
＜発電制御＞
発電部８の目標電力の決め方は任意である。たとえば、一定の電力を発電する場合には、制御器６は、目標電力を一定値に定める。また、燃料電池発電システム１を系統電源１００と接続して負荷追従制御を行う場合には、制御器６は、外部負荷に供給される外部負荷電力を電力検出器（図示せず）によって検出する。制御器６は、この検出した外部負荷と内部負荷１１０に供給される内部負荷電力とを合算する。制御器６は、この合算した電力に基づいて目標電力を決定する。なお、制御器６は、内部負荷電力を、上述の内部負荷１１０へ供給される電力の推測電流値と電圧とに基づいて算出する。
制御器６は、発電部８の発電電力を目標電力になるようにフィードバック制御する。このフィードバック制御においては、制御量である発電電力の検出に、電流検出器１１または電流検出器２１が検出する電流値またはと推測電流値とが用いられる。また、制御用のアクチュエータとして、インバータ７と、燃料ガス供給部９及び酸化剤ガス供給部１０を含む内部負荷１１０のアクチュエータとが用いられる。すなわち、制御器６は、電流検出器１１、２１が検出する電流値と推測電流値とに基づいて発電部８の発電電力を検出し、この検出した発電電力が目標電力になるようにインバータ７と燃料ガス供給部９及び酸化剤ガス供給部１０を含む内部負荷１１０のアクチュエータとを制御する。この制御過程においては、たとえば、制御器６は、発電部８から取り出して外部に出力する電流をインバータ７を用いて調整する。この調整にはインバータ７の電流値を検出することが必要であるので、上述のように、必ずインバータ７の電流値が検出される。また、制御器６は、たとえば、発電部８に対する水素ガス及び酸化剤ガスの供給量を、検出した発電電力に適合するよう、内部負荷１１０のアクチュエータを用いて調整する。この調整の際、制御器６は内部負荷１１０のアクチュエータに操作量を出力して当該内部負荷１１０のアクチュエータを制御する。
＜作用効果＞
上記の構成によれば、１つの電流検出器１１、２１で検出された電流値により、発電部８の発電電流値、インバータ７への出力電流値、および内部負荷１１０の供給電流値を求めることができる。このため、部品点数が少なく、発電電力の制御に必要な電流検出の構成が簡素化するとともに、燃料電池発電システム１のコストが削減される。
また、発電部８が発電している状態では、発電部８の直流電力は、交流電力に変換されずに直流電力のまま内部負荷１１０へ供給される。したがって、電力が変換される際の電力ロスが生じないため、エネルギー利用効率の高い燃料電池発電システム１が実現される。
（実施の形態２）
＜構成＞
図１は、燃料電池発電システム１の構成を示す機能ブロック図である。
燃料電池発電システム１は、実施の形態１の燃料電池発電システム１を、電源切換え器５を備える燃料電池発電システム１に適用した例を示す。
燃料電池発電システム１は、柱状トランス１０１および分電盤１０２を介して、系統電源１００に接続される。分電盤１０２は家庭内に設置されている。分電盤１０２と燃料電池発電システム１とを繋ぐ配線に家庭内負荷１０３が接続される。家庭内負荷１０３は、燃料電池発電システム１に接続されている外部負荷である。家庭内負荷１０３としては、たとえば、家庭内で利用されるテレビや冷蔵庫やエアコンなど、電力を消費するものである。ただし、外部負荷は、家庭内負荷１０３に限らず、電力を消費する物であればよい。
燃料電池発電システム１の発電部８が発電していないとき、系統電源１００から家庭内負荷１０３へ電力が供給される。一方、発電部８が発電しているとき、燃料電池発電システム１から家庭内負荷１０３へ電力が供給される。このとき、燃料電池発電システム１からの電力が家庭内負荷１０３における消費電力に比べて少ない場合、不足分の電力は系統電源１００から家庭内負荷１０３に供給される。
燃料電池発電システム１は、発電部８と、内部負荷１１０と、インバータ７と、電圧検出器１２と、電流検出器１１と、制御器６と、を備える。さらに、燃料電池発電システム１は、漏電ブレーカ２、ＡＣ／ＤＣコンバータ３および電源切換え器５を備えていてもよい。
漏電ブレーカ２は、燃料電池発電システム１が漏電しているときに、電力の供給を遮断する。
ＡＣ／ＤＣコンバータ３は、発電部８が発電していないとき、系統電源１００からの交流電力を直流電力に変換して、直流電力を内部負荷１１０に供給する。
ＤＣ／ＤＣコンバータ４は、発電部８が発電しているとき、発電部８からの直流電力を内部負荷１１０に供給する。
電源切換え部５は、発電部８の発電状態に応じてＡＣ／ＤＣコンバータ３とＤＣ／ＤＣコンバータ４とを切り替える。これにより、内部負荷１１０への電力の供給元が系統電源１００または発電部８に切り替えられる。
燃料ガス供給部９は、燃料ガスである水素を発電部８の燃料極に供給する。燃料ガス供給部９はガス供給量を調整する機能を有しており、例えば、プランジャーポンプ、流量調整弁等で構成される。
酸化剤ガス供給部１０は、酸化剤ガスである空気を発電部８の空気極に供給する。酸化剤ガス供給部は、ブロワポンプやブースタポンプなどのアクチュエータなどで構成される。
発電部８は、燃料ガス供給部９からの水素と、酸化剤ガス供給部１０からの空気とを電極反応させることにより発電し、直流電力を出力する。この直流電力は、制御器６や燃料ガス供給部９や酸化剤ガス供給部１０などの内部負荷１１０の駆動電力として用いられる。また、直流電力は、インバータ７により交流電力に変換されて家庭内負荷１０３に供給される。
発電部８の発電の際、制御器６により発電部８へ供給される燃料量および空気量が調整される。たとえば、酸化剤ガス供給部１０のポンプの回転数が上げられたり、燃料ガス供給部９の流量調整弁の開度が大きくされたりする。これにより、発電部８へ供給される燃料量および空気量が増え、直流電力が増加する。一方、酸化剤ガス供給部１０のポンプの回転数が下げられたり、燃料ガス供給部９の流量調整弁の開度が小さくされたりする。これにより、発電部８へ供給される燃料量および空気量が減り、直流電力が減少する。
インバータ７は、発電部８から直流電力を受け、この直流電力を交流電力に変換し、交流電力を家庭内負荷１０３に供給する。
電流検出器１１は、インバータ７へ出力される電流の値を検出する。この出力電流値は、発電部８により発電され、インバータ７に供給される電力の電流値である。
電圧検出器１２は、発電部８により発電された電力の電圧を検出する。
制御器６としては、マイクロコントローラ、ＣＰＵ、ＭＰＵ、論理回路、ＰＬＣ (Programmable Logic Controller)等が例示される。制御器６は、発電部８により発電される目標電力を設定する。また、制御器６は、発電部８の直流電力が目標電力になるように、インバータ７および内部負荷１１０を制御する。たとえば、制御器６は、インバータ７を制御することにより発電部８から取り出して外部に出力する電力を調整し、かつ、燃料ガス供給部９および酸化剤ガス供給部１０を制御することにより、発電部８へ供給される燃料量および空気量を調節し、発電部８の直流電力を調整する。さらに、制御器６は、内部負荷１１０の操作量から内部負荷１１０へ供給される推測電流値を算出する。
＜動作＞
次に、上記構成の燃料電池発電システム１の動作について説明する。
発電部８の発電を開始する際、系統電源１００からの交流電力がＡＣ／ＤＣコンバータ３で直流電力に変換されて、直流電力が内部負荷に供給される。これにより、制御器６や各供給部９、１０などの内部負荷が起動し、発電部８が発電し始める。電圧検出器１２が発電部８により発電される電圧を検出する。
発電部８による電圧が所定電圧以上になると、制御器６は電源切換え器５を制御し、ＡＣ／ＤＣコンバータ３からＤＣ／ＤＣコンバータ４へ切り替える。これにより、発電部８からの直流電力の一部がＤＣ／ＤＣコンバータ４を介して内部負荷に与えられる。これに伴い、発電部８から内部負荷へ電流（第２の電流）が流れる。また、発電部８からの残りの直流電力は、インバータ７を介して家庭内負荷１０３に供給される。これにより、発電部８からインバータ７へ電流（第１の電流）が流れる。このインバータ７への出力電流値を電流検出器１１が検出する。制御器６は、このインバータ７への出力電流値と発電電圧とから外部負荷の消費電力を算出する。
また、制御器６は、内部負荷の操作量に基づいて、内部負荷への推測電流値を求める。
このような操作量、すなわち、内部負荷の動作状況や操作量が、制御器６により適宜にアクセス可能なメモリ（図示せず）に記憶されている。内部負荷の動作状況としては、たとえば、制御器６がファンへ出力したＯＮ／ＯＦＦ信号が挙げられる。これにより、ファンが運転しているか停止しているかが判断される。また、制御器６自体が起動していると、制御器６が運転状態であると記憶される。さらに、内部負荷の操作量としては、たとえば、制御器６がアナログ的に制御している酸化剤ガス供給部１０のポンプの回転数、および燃料ガス供給部９の流量調整弁の開度（またはポンプの回転数）などが挙げられる。
また、各内部負荷１１０の操作量は、内部負荷１１０の制御に対して供給される電流値と予め関連付けられている。この関連付けが制御器６により適宜にアクセス可能なメモリ（図示せず）に記憶されている。ファンや制御器６などの内部負荷と、各内部負荷を運転するために供給される電流値とが関連付けられている。また、酸化剤ガス供給部１０のポンプの回転数と、各回転数で回転するために供給される電流値とが関連付けられている。さらに、燃料ガス供給部９の調整弁の開度と、各開度で調整弁が開くために供給される電流値とが関連付けられている。
制御器６は、操作量と電流値との関連付けに基づいて、各内部負荷１１０の操作量に対応する内部負荷への推測電流値を求める。制御器６は、求めた各推測電流値を合計して、内部負荷への推測電流値を算出する。制御器６は、この内部負荷への推測電流値と発電電圧とから内部負荷の推測消費電力を算出する。
このようにして求めた外部負荷の消費電力と内部負荷の推測消費電力とから目標電力を制御器６は設定する。制御器６は、この目標電力に基づいて内部負荷を制御する。この制御のために、制御器６は、制御された燃料電池発電システム１における発電部８の現行の直流電力を求める。つまり、制御器６は、上記と同様に、制御後のインバータ７への出力電流値、内部負荷への推測電流値および発電部８の発電電圧を求める。制御器６は、これらを合計して、発電部８の発電電流値を算出する。制御器６は、この発電部８の発電電流値と発電部８の発電電圧とから発電部８の直流電力を求める。
制御器６は、設定された目標電力と現行の発電部８の直流電力とを比較する。この比較の結果、発電部８の直流電力が目標電力より多ければ、制御器６は、インバータ７が取り出す電流値を下げて、外部に出力する電力を調整する。そして、制御器６は、発電部８へ供給される燃料量および空気量が減るように、各供給部９、１０を制御する。これにより、発電部８の直流電力が減少する。一方、発電部８の直流電力が目標電力より少なければ、制御器６は、インバータ７が取り出す電流値を上げて、外部に出力する電力を調整する。そして、制御器６は、発電部８へ供給される燃料量および空気量が増えるように制御器６は各供給部９、１０を制御する。これにより、発電部８の直流電力が増加する。このようにして、制御器６は、発電部８の直流電力が目標電力になるように、内部負荷１１０を制御する。そして、制御器６は、新たな目標電力を設定するとともに、設定された目標電力とこの目標電力に基づいて制御された後の発電部８の直流電力とを比較してさらに内部負荷を制御する。このようにして、制御器６はフィードバック制御を繰り返す。
上記構成の燃料電池発電システム１によれば、内部負荷の操作量から内部負荷１１０への推測電流値が求められる。このため、インバータ７への供給電流値を検出する電流検出器１１を設けるだけで、発電部８の発電電流値が求められる。このように、各電流値を検出するための複数の電流検出器が必要ないため、電流検出システムの構成を簡素化でき、燃料電池発電システム１におけるコストが削減される。
また、発電部８により発電された電力が、交流電力に変換されずに直流電力のまま内部負荷１１０に供給される。このため、電力を変換する際のロスがなく、燃料電池発電システム１において、高いエネルギー利用効率が実現する。
さらに、電流検出器１１により検出された電流値、または内部負荷１１０の操作量に基づいて、内部負荷１１０への推測電流値がより正確に算出される。これに基づく、目標電力および発電部８の直流電力が精度良く求められるため、燃料電池発電システム１において安定的に発電することができる。
（実施の形態３）
実施の形態３の燃料電池発電システム１では、実施の形態２の燃料電池発電システム１に運転量検出部１３が設けられている。
以下では実施の形態３の構成、動作について、実施の形態２との相違点を中心に述べる。
図２は、燃料電池発電システム１の構成を示す機能ブロック図である。
運転量検出部１３は、制御器６に設けられる。運転量検出部１３は、燃料電池発電システム１における運転量を検出する。この運転量としては、たとえば、燃料電子発電システム１の起動回数および累積通電時間、および発電部８の発電回数および発電時間などが挙げられる。この運転量は、制御器６により制御された情報に基づいて累積され、制御器６にアクセス可能なメモリに記憶されている。
制御器６は、運転量検出部１３により検出された燃料電池発電システム１における運転量に基づき、内部負荷へ供給される推測電流値を補正する。たとえば、運転量に対応する係数が予め定められており、これが制御器６からアクセス可能なメモリに記憶されている。つまり、運転量が増加すると、内部負荷１１０には経年変化するものがある。たとえば、コイルの抵抗が高くなったり、アクチュエータの摺動性が悪くなったり、内部のフィルタがつまったりする。この場合、内部負荷１１０の性能を維持するためには、内部負荷１１０へ供給される推測電流値を大きく設定する必要がある。よって、運転量に対応する係数は、運転量が増加するほど、大きくなるように定められる。
制御器６は、上記の通りに求められた内部負荷１１０への推測電流値に、運転量に対応する係数を乗ずることにより、内部負荷１１０への推測電流値を補正する。
上記構成の燃料電池発電システム１によれば、内部負荷への推測電流値がより正確に得られる。これに伴い、内部負荷１１０への推測電流値から求められる目標電力および発電部８の直流電力の精度が高まる。よって、燃料電池発電システム１をより安定的に制御することができる。
（実施の形態４）
実施の形態４の燃料電池発電システム１では、実施の形態２の燃料電池発電システム１に取得部２０が設けられている。
以下では実施の形態４の構成、動作について、実施の形態２との相違点を中心に述べる。
図３は、燃料電池発電システム１の構成を示す機能ブロック図である。
取得部２０は、燃料電池発電システム１が設置される設置情報を取得する。取得部２０は、制御器６に接続され、取得した設置情報を制御器６に出力する。使用者、設置業者およびメンテナンス業者などによる入力、およびインターネットなどの通信手段からの入力、および高度計や気圧計などのセンサからの入力などにより、設置情報が取得される。
設置情報には、たとえば、燃料電池発電システム１が設置されている位置および高度、燃料電池発電システム１が地下室に設置されている場合にはダクトの長さなどが挙げられる。燃料電池発電システム１の設置位置は、たとえば、燃料電池発電システム１が設置されている国、住所、郵便番号、緯度および経度などを含む。
設置情報は、係数などの補正情報と関連付けられて、メモリ（図示せず）に記憶されている。
たとえば、ドイツなどのヨーロッパでは地下室に燃料電池発電システム１が配置されることがある。この場合、燃料電池発電システム１に接続されるダクトが長くなり、換気ファンへ供給される電力が大きい。このため、設置情報：ドイツに対して、換気ファンの推測電流値が大きくなるように補正情報が設定される。
また、高度センサが燃料電池発電システム１に取り付けられている場合、設置情報として高度が補正情報と関連付けられている。高度が高くなるほど、空気中の酸素が薄くなる。このため、酸化剤ガス供給部１０から発電部８へ供給される空気の量を多くする必要がある。よって、酸化剤ガス供給部１０に対する操作量が増え、酸化剤ガス供給部１０へ供給される電力が大きくなる。これにより、高度が大きくなるほど、酸化剤ガス供給部１０への推測電流値が大きくなるように補正情報が設定される。
これに対して、高度が高くなるほど、気圧が低くなる。このため、高度が高くなるほど、換気ファンを回転させる電力が少なくなり、換気ファンへ供給される電力が小さくなる。これにより、高度が大きくなるほど、換気ファンへの推測電流値が小さくなるように補正情報が設定される。
制御器６は、取得部２０により取得された設置情報に基づいて上記関連付けの補正情報を求める。制御器６は、この補正情報に従って内部負荷１１０へ供給される推測電流値を補正する。
上記構成の燃料電池発電システム１によれば、内部負荷１１０への推測電流値がより正確に得られる。これに伴い、内部負荷１１０への推測電流値から求められる目標電力および発電部８の直流電力の精度が高まる。よって、燃料電池発電システム１をより安定的に制御することができる。
（別の実施の形態）
上記実施の形態２〜４の燃料電池発電システム１では、インバータ７へ供給される電流値（第１の電流）を検出する電流検出器１１が設けられた。これに対して、燃料電池発電システム１に、発電部８が発電する電流値（第３の電流）を検出する電流検出器２１を設けることができる。
図４は、燃料電池発電システム１の構成を示す機能ブロック図である。なお、実施の形態３の燃料電池発電システム１と同様に、制御器６に運転量検出部１３が含まれていてもよい。また、実施の形態４の燃料電池発電システム１と同様に、制御器６に取得部２０が接続されていてもよい。
電流検出器２１は、発電部８により発電される電流値を検出し、電流値を制御器６へ出力する。発電部８により発電される電流値は、発電部８により発電され、インバータ７と内部負荷１１０との双方に供給される電力の電流値である。
この場合、制御器６は、電流検出器２１からの発電部８の発電電流値と、電圧検出器１２からの発電電圧とを乗じて、発電部８の直流電力を算出する。また、制御器６は、内部負荷１１０の操作量に基づいて、内部負荷操作量への推測電流値を求める。制御器６は、この内部負荷への推測電流値と発電電圧とを乗じて、内部負荷の推測消費電力を算出する。さらに、制御器６は、発電部８の発電電流値から内部負荷への推測電流値を引いて、インバータ７へ供給される電流値を求める。制御器６は、このインバータ７への供給電流値と発電電圧とを乗じて、外部負荷の消費電力を算出する。
このようにして求めた外部負荷の消費電力と内部負荷１１０の推測消費電力とから目標電力を制御器６は設定する。制御器６は、この目標電力に基づいて内部負荷を制御する。制御器６は、制御された燃料電池発電システム１における発電部８の現行の発電電流値を電流検出器２１から求める。制御器６は、発電電流値と制御後の発電部８の発電電圧とから発電部８の直流電力を求める。
制御器６は、設定された目標電力と現行の発電部８の直流電力とを比較する。この比較の結果に応じて、制御器６はフィードバック制御を繰り返す。
上記構成の燃料電池発電システム１によれば、実施の形態２と同様の効果が得られる。また、運転量検出部１３や取得部２０が燃料電池発電システム１に設けられれば、実施の形態３や４と同様の効果が得られる。
（さらに別の実施の形態）
上記実施の形態２〜４の燃料電池発電システム１では、内部負荷１１０における操作量に基づいて内部負荷１１０に供給される推測電流値が求められた。これに対して、電流検出器１１、２１により検出される電流値に基づいて内部負荷１１０に供給される推測電流値を求めることができる。
この場合、電流検出器１１、２１により検出される電流値は、インバータ７への供給電流値または発電部８の発電電流値である。この電流検出器１１、２１により検出される電流値と、内部負荷に供給される推測電流値との間に所定の比率が設定されている。この比率は、発電部８の発電電流値およびインバータ７への供給電流値に応じて変化するように設定されていてもよい。
このように、電流検出器１１、２１により検出される電流値に基づいた推測電流値は、内部負荷１１０における操作量に基づいた推測電流値に比べて精度が低いことがある。ただし、内部負荷１１０へ供給される電流値は、発電部８の発電電流値およびインバータ７への供給電流値に比べて少ない。よって、内部負荷１１０への推測電流値に誤差があっても、その影響は小さい。よって、実施の形態２と同様の効果が得られる。また、運転量検出部１３や取得部２０が燃料電池発電システム１に設けられれば、実施の形態３や４と同様の効果が得られる。
なお、上記全実施の形態は、互いに相手を排除しない限り、互いに組み合わせてもよい。
上記説明から、当業者にとっては、本発明の多くの改良や他の実施形態が明らかである。従って、上記説明は、例示としてのみ解釈されるべきであり、本発明を実行する最良の態様を当業者に教示する目的で提供されたものである。本発明の精神を逸脱することなく、その構造及び／又は機能の詳細を実質的に変更できる。
本発明の燃料電池発電システムは、エネルギー利用効率の向上が可能でかつ発電電力の制御に必要な電流検出の構成を簡素化できる燃料電池発電システムおよびその制御方法等として有用である。
１ 燃料電池発電システム
６ 制御器
７ インバータ
８ 発電部
１１ 電流検出器
１２ 電圧検出器
１３ 運転量検出部
２０ 取得部
２１ 電流検出器
１１０ 内部負荷

Claims (5)

  1. 燃料ガスと酸化剤ガスとを電気化学的に反応させて発電する発電部と、
    電力を消費して前記発電部を発電動作させる内部負荷と、
    入力される直流電力を交流電力に変換して外部に出力し、かつ外部に出力する電力を調整するインバータと、
    前記発電部により発電された電力の電圧を検出する電圧検出器と、
    前記発電部により発電され、前記インバータと前記内部負荷との双方又は前記インバータに供給される電力の電流値を検出する電流検出器と、
    前記発電部が発電する目標電力を決定し、かつ前記インバータ及び内部負荷を制御する制御器と、を備え、
    前記制御器は、前記内部負荷の操作量に基づいて前記内部負荷へ供給される電流の値を推測し、前記電流検出器により検出された電流値と前記推測により得られた推測電流値とに基づいて、前記発電部により発電される電力が前記目標電力になるように前記インバータ及び内部負荷を制御するよう構成されている、燃料電池発電システム。
  2. 前記燃料電池発電システムの運転量を検出する運転量検出部をさらに備え、
    前記制御器は、前記運転量検出部により検出された運転量に基づき、前記推測電流値を補正するよう構成されている、請求項１に記載の燃料電池発電システム。
  3. 前記燃料電池発電システムが設置される設置情報を取得するための取得部をさらに備え、
    前記制御器は、前記推測電流値を前記取得部で取得された設置情報に基づいて補正するよう構成されている、請求項１又は２に記載の燃料電池発電システム。
  4. 前記内部負荷は、前記発電部に前記酸化剤ガスとして空気を供給する空気供給器を有し、
    前記設置情報は、前記燃料電池発電システムが設置される高度を含み、
    前記制御器は、前記推測電流値を前記設置情報の前記高度に基づいて補正するよう構成されている、請求項３に記載の燃料電池発電システム。
  5. 燃料ガスと酸化剤ガスとを電気化学的に反応させて発電する発電部と、
    電力を消費して前記発電部を発電動作させる内部負荷と、
    入力される直流電力を交流電力に変換して外部に出力し、かつ外部に出力する電力を調整するインバータと、
    前記発電部により発電された電力の電圧を検出する電圧検出器と、
    前記発電部により発電され、前記インバータと前記内部負荷との双方又は前記インバータに供給される電力の電流値を検出する電流検出器と、
    前記発電部が発電する目標電力を決定し、かつ前記インバータ及び内部負荷を制御する制御器と、を備え、燃料電池発電システムの制御方法であって、
    前記制御器は、前記内部負荷の操作量に基づいて前記内部負荷へ供給される電流の値を推測し、前記電流検出器により検出された電流値と前記推測により得られた推測電流値とに基づいて、前記発電部により発電される電力が前記目標電力になるように前記インバータ及び内部負荷を制御する、燃料電池発電システムの制御方法。
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