JP5146370B2 - 燃料電池の電力変換装置 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池の直流電力を商用周波数の交流電力に変換して系統に交流電力を供給する電力変換装置に関する。

従来のこの種の電力変換装置としては、特許文献１に開示されたものがあった。以下、特許文献１に開示された従来の電力変換装置について図面を参照しながら説明する。図３は、従来の電力変換装置の構成の一例を示すブロック図である。

図３に示すように、電力変換装置は、例えば燃料電池５１から直流電力を入力し、５０
Ｈｚまたは６０Ｈｚの交流に変換して系統５２に交流電力を供給している。

そして、電力変換装置は、入力電圧Ｖｉｎを昇圧する昇圧コンバータ５３と、昇圧された電圧の高周波成分を除去する中間段コンデンサ５４と、出力電流を正弦波に波形成形するインバータ回路５５と、インバータ回路５５の出力から高周波ノイズを除去するフィルタ５６とを備え、系統５２に接続されている。

このとき、昇圧コンバータ５３は、入力電圧を平滑する平滑コンデンサ５３１、スイッチング素子Ｑ５３３〜Ｑ５３６を４石使用したＨブリッジ構成のコンバータ回路５３２と、コンバータ回路５３２の出力に一次側を接続された高周波昇圧トランス５３７と、高周波昇圧トランス５３７の二次側に接続された整流回路５３８とで構成されている。

さらに、インバータ回路５５は、パワー・スイッチング素子Ｑ５３９〜Ｑ５４２を４石使用したＨブリッジ構成と、パワー・スイッチング素子Ｑ５３９〜Ｑ５４２のドライブ回路ＤＲ５３９〜ＤＲ５４２で構成されている。

この場合、特に、インバータ回路５５は、昇圧コンバータ５３と電気的に絶縁するために、個別半導体を組み合わせて構成されている。そのため、部品点数が多く、コスト上昇を招くとともに、部品の実装面積が大きくなるため電力変換装置が大型化するという問題があった。

一方、エアコン、洗濯機、冷蔵庫などのインバータ回路においては、スイッチング素子とそのスイッチング素子のドライブ回路とを内蔵した汎用の三相モータ駆動インテリジェント・パワー・モジュールが開発されている。これにより、部品点数の削減とともに、商品の小型化が図られている。
特開２０００−１５２６４７号公報

しかしながら、燃料電池の電力変換装置においては、汎用のＨブリッジ型のインバータ回路を構成するインテリジェント・パワー・モジュールの開発は、エアコン、洗濯機、冷蔵庫などの市場規模に比べて、生産台数が少ないため、長い開発期間と開発費用を考慮した場合、採算性が悪いとして、現状行われていない。

また、汎用のインテリジェント・パワー・モジュールは、三相フルブリッジ構成であるため、燃料電池の単相２線式・電力変換装置のインバータ回路に用いると一相が無駄になるという問題もある。

そこで、現状では、個別半導体を組み合わせて、パワー・スイッチング素子を４石使用したＨブリッジ型のインバータ回路を構成している。そのため、燃料電池の電力変換装置の小型化や、低コスト化を実現できないという問題があった。

本発明は、上記従来の課題を解決するもので、汎用の三相モータ駆動インテリジェント・パワー・モジュールを用いて、小型で低コストの燃料電池の電力変換装置を提供することを目的とする。

上記従来の課題を解決するために、本発明の燃料電池の電力変換装置は、水素を主体とする燃料ガスと酸素とから直流電力を発電する燃料電池と、燃料電池が発電した直流電力を交流電力に変換するインバータ回路とで少なくとも構成された系統に連系する燃料電池
の電力変換装置であって、インバータ回路に汎用の三相モータ駆動インバータを構成するスイッチング素子とスイッチング素子のドライブ回路とを内蔵したインテリジェント・パワー・モジュールを用い、前記インテリジェント・パワー・モジュールの三相フルブリッジ回路のうち、二相でＨブリッジ型のインバータ回路を構成し、残りの一相を負荷の電源に用いることで前記燃料電池から発電される余剰電力を前記負荷に消費させる構成を有する。

この構成により、部品点数を削減するとともに、小型化で低コストの燃料電池の電力変換装置を実現できる。

本発明の燃料電池の電力変換装置は、インバータ回路に汎用のインテリジェント・パワー・モジュールを用いることにより、低コストとともに、部品点数を少なくして実装面積を削減し小型化を実現できる。

第１の発明は、水素を主体とする燃料ガスと酸素とから直流電力を発電する燃料電池と、燃料電池が発電した直流電力を交流電力に変換するインバータ回路とで少なくとも構成された系統に連系する燃料電池の電力変換装置であって、インバータ回路に汎用の三相モータ駆動インバータを構成するスイッチング素子とスイッチング素子のドライブ回路とを内蔵したインテリジェント・パワー・モジュールを用い、前記インテリジェント・パワー・モジュールの三相フルブリッジ回路のうち、二相でＨブリッジ型のインバータ回路を構成し、残りの一相を負荷の電源に用いることで前記燃料電池から発電される余剰電力を前記負荷に消費させる構成を有する燃料電池の電力変換装置である。

この構成により、部品点数を削減するとともに、小型化で低コストの燃料電池の電力変換装置を実現できる。また、系統が瞬時的に停電した場合や、系統が工事で短時間開放されたときに、系統への逆潮流を防ぐことも可能となる。

第２の発明は、第１の発明において、負荷がヒータであるものである。

これにより、系統から解列されたときに発生する燃料電池から発電される直流電力（余剰電力）を、負荷で消費させることができ、燃料電池の電力変換装置の部品点数を削減して小型化するとともに、低コストの燃料電池の電力変換装置を実現できる。

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が、従来例または先に説明した実施の形態と同一構成については同一符号を付して、その詳細な説明は省略する。なお、この実施の形態によってこの発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
以下に、本発明の実施の形態１における燃料電池の電力変換装置について、図面を用いて説明する。

図１は、本発明の実施の形態１における燃料電池の電力変換装置の回路ブロック図である。

図１に示すように、本実施の形態の燃料電池の電力変換装置は、水素を主体とする燃料ガスと酸素とから直流電圧を発電する燃料電池１から直流電力が入力され、入力された直流電力を５０Ｈｚまたは６０Ｈｚの交流に変換して系統２に交流電力を供給するものである。なお、系統２に供給される交流電力は、商用交流との間に、設けられた解列リレー（
図示せず）を介して、エアコンなどの家庭内負荷（図示せず）に供給される。

そして、燃料電池の電力変換装置は、燃料電池１で発電された入力電圧Ｖｉｎを昇圧する昇圧コンバータ３と、昇圧された電圧の高周波成分を除去する中間段コンデンサ４と、出力電流を正弦波に波形成形するインバータ回路５と、インバータ回路５の出力から高周波ノイズを除去するフィルタ６と、を少なくとも備えて構成され、系統２に接続されている。

ここで、昇圧コンバータ３は、入力電圧を平滑する平滑コンデンサ３１、パワー・スイッチング素子Ｑ３３〜Ｑ３６を４石使用したＨブリッジ構成のコンバータ回路３２と、コンバータ回路３２の出力に一次側を接続された高周波昇圧トランス３７と、高周波昇圧トランス３７の二次側に接続された整流回路３８で構成されている。

また、インバータ回路５は、汎用の三相モータ駆動インバータ用のインテリジェント・パワー・モジュール５０で構成されている。そして、インテリジェント・パワー・モジュール５０は、その内部にパワー・スイッチング素子Ｑ３９〜Ｑ４４とパワー・スイッチング素子Ｑ３９〜Ｑ４４のドライブ回路ＤＲ３９〜ＤＲ４４を有し、三相フルブリッジ回路が構成されている。そして、ドライブ回路ＤＲ３９〜ＤＲ４４の制御入力信号端子はハイアクティブ駆動であり、制御入力信号端子がハイの時、パワー・スイッチング素子Ｑ３９〜Ｑ４４が導通状態となる。

ここで、コンバータ回路３２およびインバータ回路５を構成するインテリジェント・パワー・モジュール５０のパワー・スイッチング素子は、例えばＳｉＣ、ＧａＮ、ＳｉＧｅ、ＭＯＳＦＥＴ、ＩＧＢＴまたはトランジスタなどで構成される。また、整流回路３８のダイオードは、ＳｉＣ、ＧａＮ、ＳｉＧｅなどで構成される。

このとき、本実施の形態では、図２に示すように、パワー・スイッチング素子Ｑ４１，Ｑ４２のエミッタをドライブ回路ＤＲ４１，ＤＲ４２の制御入力信号端子と短絡して、パワー・スイッチング素子Ｑ４１，Ｑ４２を、常時オフの状態としている。

そして、インテリジェント・パワー・モジュール５０のパワー・スイッチング素子Ｑ３９，Ｑ４０，Ｑ４３，Ｑ４４の４石を使用したＨブリッジ構成でインバータ回路５が構成される。

これにより、数十点の個別半導体を組み合わせて構成していた従来のインバータ回路に比べて、本実施の形態では１つの部品でインバータ回路を構成できる。その結果、部品の実装面積を削減して、従来の１／２程度に小型化できるとともに、従来の１／４から１／８程度の低コストの燃料電池の電力変換装置を実現できる。

なお、本実施の形態では、インテリジェント・パワー・モジュール５０の三相フルブリッジ回路の内、パワー・スイッチング素子Ｑ３９，Ｑ４０，Ｑ４３，Ｑ４４の４個を用いた例で説明したが、これに限られない。例えば、パワー・スイッチング素子Ｑ３９，Ｑ４０，Ｑ４１，Ｑ４２の４個でもよく、パワー・スイッチング素子Ｑ４１，Ｑ４２，Ｑ４３，Ｑ４４の４個を用いてもよい。このとき、４個のパワー・スイッチング素子の組み合わせは任意であるが、インテリジェント・パワー・モジュール５０の放熱分布が均一になる組み合わせが好ましい。これにより、インテリジェント・パワー・モジュール５０に取り付けるハウ熱のためのヒートシンクを小さくできるため、さらに小型化や低コスト化が図れる。

また、上記では、コンバータ回路３２をＨブリッジ構成を例に説明したがこれに限られ
ない。例えば、ハーフ・ブリッジ・コンバータ回路もしくは、プッシュプル・コンバータ回路で構成してもよく、同じ動作を実現できる。

本実施の形態によれば、汎用のインテリジェント・パワー・モジュール５０を用いることにより、新規に燃料電池の電力変換装置のインテリジェント・パワー・モジュールを開発する必要がなくなる。そのため、開発期間を短縮できるとともに、低コストの燃料電池の電力変換装置を実現できる。また、部品点数の削減により基板の実装面積を小さくして、小型化で生産性に優れた燃料電池の電力変換装置を実現できる。

（実施の形態２）
以下に、本発明の実施の形態２における燃料電池の電力変換装置について、図面を用いて説明する。

図２は、本発明の実施の形態２における燃料電池の電力変換装置の回路ブロック図である。

すなわち、図２に示すように、本実施の形態の燃料電池の電力変換装置は、インテリジェント・パワー・モジュール５０のパワー・スイッチング素子Ｑ４１の出力をヒータ負荷６０に接続された点で、実施の形態１とは異なる。他の構成は、実施の形態１と同じであるため、説明を省略する。

つまり、図２に示すように、本実施の形態の燃料電池の電力変換装置は、実施の形態１と同様に、三相構成のインテリジェント・パワー・モジュール５０の二相を構成するパワー・スイッチング素子Ｑ３９，Ｑ４０，Ｑ４３，Ｑ４４の４石を使用したＨブリッジ構成でインバータ回路５が構成される。そして、インテリジェント・パワー・モジュール５０の残りの一相を構成するパワー・スイッチング素子Ｑ４１，Ｑ４２の出力を、例えばヒータなどの負荷６０に接続した構成を有する。

ここで、負荷６０は、系統２が瞬時的に停電した場合や、系統２が工事で短時間開放されたときに、系統への逆潮流を防ぐために解列リレーを開放することにより発生する燃料電池５１から発電される直流電力（余剰電力）を、例えばヒータの発熱により消費させるものである。

本実施の形態によれば、実施の形態１と同様に、汎用のインテリジェント・パワー・モジュール５０を用いることにより、新規に燃料電池の電力変換装置のインテリジェント・パワー・モジュールを開発する必要がなくなる。そのため、開発期間を短縮できるとともに、低コストの燃料電池の電力変換装置を実現できる。また、部品点数の削減により基板の実装面積を小さくして、小型化で生産性に優れた燃料電池の電力変換装置を実現できる。

また、本実施の形態によれば、系統から解列されたときに発生する燃料電池５１から発電される直流電力（余剰電力）を、インテリジェント・パワー・モジュール５０の残りの一相を用いて、負荷６０で消費させることができる。そのとき、負荷６０に供給する直流電力を切り替えるスイッチング素子などを、別に設ける必要がない。その結果、部品点数のさらなる削減とともに、電力変換装置のさらなる小型化と低コスト化を実現できる。

なお、上記実施の形態では、負荷６０としてヒータに余った電力を消費する例で説明したが、これに限られない。例えば、蓄電池を使用して余剰電力を蓄電池に充電する構成してもよい。

本発明にかかる燃料電池の電力変換装置は、汎用のインテリジェント・パワー・モジュールを用いて部品点数の削減、構造の簡素化や小型化が可能となるので、燃料電池装置、太陽光発電装置、風力発電装置や太陽熱発電装置などの技術分野において有用である。

本発明の実施の形態１による燃料電池の電力変換装置の回路ブロック図 本発明の実施の形態２による燃料電池の電力変換装置の回路ブロック図 従来の電力変換装置の構成の一例を示すブロック図

１ 燃料電池
２ 系統
５ インバータ回路
５０ インテリジェント・パワー・モジュール
６０ 負荷

Claims (2)

1. 水素を主体とする燃料ガスと酸素とから直流電力を発電する燃料電池と、前記燃料電池が発電した直流電力を交流電力に変換するインバータ回路とで少なくとも構成された、系統に連系する燃料電池の電力変換装置であって、
   前記インバータ回路に、汎用の三相モータ駆動インバータを構成するスイッチング素子と前記スイッチング素子のドライブ回路とを内蔵したインテリジェント・パワー・モジュールを用い、
   前記インテリジェント・パワー・モジュールの三相フルブリッジ回路のうち、二相でＨブリッジ型のインバータ回路を構成し、残りの一相を負荷の電源に用いることで前記燃料電池から発電される余剰電力を前記負荷に消費させる燃料電池の電力変換装置。
2. 前記負荷はヒータである請求項１記載の燃料電池の電力変換装置。

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