JP5181569B2 - Fuel cell system - Google Patents
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Description
本発明は、燃料電池を用いて発電を行う燃料電池システムに関するものである。 The present invention relates to a fuel cell system that generates power using a fuel cell.
従来の燃料電池システムとして、交流電力出力波形計測手段により、直流交流変換手段からの出力波形を逐一計測し、直流交流変換手段の故障診断をする燃料電池システムがあった。(例えば、特許文献1参照)。 As a conventional fuel cell system, there has been a fuel cell system in which an output waveform from a DC / AC conversion unit is measured step by step by an AC power output waveform measurement unit to diagnose a failure of the DC / AC conversion unit. (For example, refer to Patent Document 1).
図9は、前記特許文献1に記載された従来の燃料電池システムを示すものである。 FIG. 9 shows a conventional fuel cell system described in Patent Document 1. In FIG.
図9において、都市ガスのようなメタン等の炭化水素を含む燃料を原料として燃料電池1で発電が行われる。直流交流変換手段2は、燃料電池1からの直流電力を交流電力に変換し、商用電源とともに家庭内負荷3に交流電力を供給する。
In FIG. 9, power generation is performed in the fuel cell 1 using a fuel containing a hydrocarbon such as methane such as city gas as a raw material. The DC / AC converting means 2 converts the DC power from the fuel cell 1 into AC power and supplies the AC power to the
運転制御手段4は、この燃料電池システムにおける、起動から発電までの一連の動作を制御する。 The operation control means 4 controls a series of operations from startup to power generation in this fuel cell system.
また交流電力出力波形計測手段5は、直流交流変換手段2の出力端に接続され、直流交流変換手段2から家庭内負荷3へと出力される交流電力の出力電流波形と、商用電源の電圧波形とを計測する。
The AC power output waveform measuring means 5 is connected to the output terminal of the DC / AC converting means 2, the output current waveform of AC power output from the DC / AC converting means 2 to the
運転制御手段4は、交流電力出力波形計測手段5により、直流交流変換手段2から家庭内負荷3へと出力される交流電力の出力電流波形を逐一計測し、商用電源からの電圧波形が正常であるのにもかかわらず、出力電流波形が異常である場合は、直流交流変換手段2の内部回路の故障と判断していた。
前記従来の構成では、交流電力出力波形計測手段5により出力過電流を検出した場合、運転制御手段4により、この燃料電池システムの動作を一旦停止状態とする。
In the conventional configuration, when the output overcurrent is detected by the AC power output
また直流交流変換手段2からの出力中に直流分を検出した場合には、運転制御手段4により、この燃料電池システムの動作を継続的な停止状態とする。 When the DC component is detected during the output from the DC / AC converting means 2, the operation control means 4 causes the operation of the fuel cell system to be continuously stopped.
しかしながら、実質的に問題とならない商用電源側の電圧波形の乱れにより、直流分が検出されただけであるにもかかわらず、この燃料電池システムを継続的に動作停止してしまうと、不要な動作停止となり、システム稼動状態の悪化となる。 However, if the fuel cell system is stopped continuously even though only a direct current component is detected due to a disturbance in the voltage waveform on the commercial power supply side that does not cause a problem, an unnecessary operation will occur. The system will be stopped and the system operation status will be deteriorated.
そこで本発明は、システムの稼動状態の悪化を抑制することを目的とするものである。 SUMMARY OF THE INVENTION Accordingly, an object of the present invention is to suppress deterioration of the operating state of the system.
そしてこの目的を達成するために本発明は、燃料電池と、この燃料電池で発生した直流電力を交流電力に変換し、負荷に交流電力を供給する直流交流変換手段と、この直流交流変換手段から負荷側への出力波形を計測する交流出力電流波形計測手段と、前記直流交流変換手段から負荷側への出力波形中の直流分を検出する検出回路と、前記燃料電池、直流交流変換手段、交流出力電流波形計測手段、検出回路の動作を制御する運転制御手段とを
備え、前記運転制御手段は、前記検出回路が前記直流交流変換手段から負荷側への出力波形中の直流分を検出すると、前記燃料電池の動作を継続的な停止状態にするものとし、
前記運転制御手段は、前記交流出力電流波形計測手段により計測された波形の大きさが通常の発電出力電流よりも大きい閾値電流以上となったことを検出すると過電流として検出し、前記過電流を検出してからの所定時間は、前記検出回路が前記直流交流変換手段から負荷側への出力波形中の直流分を検出しても、前記燃料電池の動作を継続的な停止状態にしない構成としたものであり、これにより所期の目的を達成するものである。
In order to achieve this object, the present invention provides a fuel cell, DC / AC conversion means for converting DC power generated in the fuel cell into AC power, and supplying AC power to a load, and DC / AC conversion means. AC output current waveform measuring means for measuring an output waveform to the load side, a detection circuit for detecting a DC component in the output waveform from the DC to AC conversion means to the load side, the fuel cell, DC to AC conversion means, AC Output current waveform measuring means, operation control means for controlling the operation of the detection circuit, the operation control means, when the detection circuit detects a DC component in the output waveform from the DC AC conversion means to the load side, The operation of the fuel cell is to be continuously stopped,
The operation control means detects when it is detected that the magnitude of the waveform measured by the AC output current waveform measuring means becomes larger threshold current higher than normal power output current as the overcurrent, the overcurrent The predetermined time after the detection is such that the operation of the fuel cell is not continuously stopped even if the detection circuit detects a direct current component in the output waveform from the direct current alternating current conversion means to the load side. In this way, the intended purpose is achieved.
以上のごとく本発明は、交流出力電流波形計測手段により、過電流所定を検出してからの所定時間は、前記検出回路からの出力を実質的に無効化する構成としたものであって、この場合にはシステムを継続的に動作停止させないので、システムの稼動状態の悪化を抑制することが出来る。 As described above, the present invention is configured such that the output from the detection circuit is substantially invalidated for a predetermined time after the overcurrent predetermined is detected by the AC output current waveform measuring means. In such a case, since the system is not continuously stopped, the deterioration of the operating state of the system can be suppressed.
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。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
(実施の形態1)
図1は本発明の実施の形態1における燃料電池システムの構成図である。
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a configuration diagram of a fuel cell system according to Embodiment 1 of the present invention.
図1において、都市ガスのようなメタン等の炭化水素を含む燃料から改質した水素と、大気中の酸素とを燃料電池11にて反応させ、発電が行われる。
In FIG. 1, hydrogen reformed from a fuel containing a hydrocarbon such as methane such as city gas and oxygen in the atmosphere are reacted in a
直流交流変換手段12は、燃料電池11からの直流電力を交流電力に変換し、商用電源とともに家庭内負荷13に交流電力を供給する。
The DC / AC converting means 12 converts the DC power from the
また交流出力電流波形計測手段15は直流交流変換手段12の出力端に接続され、直流交流変換手段12から家庭内負荷13へと出力される交流電力(交流電流の出力波形)を計測するものである。
The AC output current waveform measuring means 15 is connected to the output end of the DC / AC converting means 12 and measures AC power (AC current output waveform) output from the DC / AC converting means 12 to the
直流分検出無効化手段16は、交流出力電流波形計測手段15により、過電流検出してからの所定時間は、前記検出回路(図2の23)からの出力を実質的に無効化する構成としたものであり、一時的な直流分流出検出では、運転制御手段14がシステムを継続的に動作停止させないようにするものである。 The DC component detection invalidating means 16 is configured to substantially invalidate the output from the detection circuit (23 in FIG. 2) for a predetermined time after the overcurrent detection by the AC output current waveform measuring means 15. Thus, in the temporary DC component outflow detection, the operation control means 14 prevents the system from being continuously stopped.
運転制御手段14は起動から発電、動作停止までの一連の動作を制御するもので、燃料電池11、直流交流変換手段12、交流出力電流波形計測手段15、直流分検出無効化手段16の動作制御を行うものである。
The
ここで、交流電流中の直流分について説明する。 Here, the direct current component in the alternating current will be described.
図2の交流出力電流中における直流分流出原理図において、通常は斜線部AとBが、A=Bで面積は等しくなり、直流分はゼロとなる。 In the DC component outflow principle diagram in the AC output current of FIG. 2, the hatched portions A and B usually have the same area when A = B, and the DC component is zero.
しかし、図2にようにゼロ点がプラス側にずれることによりA<Bとなり、負の直流分が発生することになる。また逆にゼロ点がマイナス側にずれることによりA>Bとなり、正の直流分が発生することになる。 However, as shown in FIG. 2, when the zero point is shifted to the plus side, A <B is established, and a negative DC component is generated. Conversely, when the zero point is shifted to the minus side, A> B, and a positive DC component is generated.
規格では直流分は交流電流分の±1%以下とされており、交流電流の実効値が5Aであれば、±50mA以上の直流分が発生すれば直流分流出異常と判断される。直流分が商用
電源側に流出されると、電柱にある柱上変圧器等への不都合が発生する恐れがあるので、この流出を防止しなければならない。
According to the standard, the direct current component is ± 1% or less of the alternating current. If the effective value of the alternating current is 5 A, it is determined that the direct current component is abnormal if a direct current component of ± 50 mA or more occurs. If the direct current component flows out to the commercial power source side, there is a risk of inconvenience to the pole transformer in the utility pole, so this outflow must be prevented.
そこで本実施形態では、直流交流変換手段12中に図4に示す手段を設けて、直流分の検出をし、直流分検出時には、基本的には直ちに運転制御手段14によりシステムの動作停止をさせるような構成となっている。
Therefore, in this embodiment, the means shown in FIG. 4 is provided in the DC / AC converting means 12 to detect the DC component, and when the DC component is detected, the
次に、直流交流変換手段12からの交流出力電流中の直流分検出について、図4を用いて説明する。 Next, detection of the DC component in the AC output current from the DC / AC converting means 12 will be described with reference to FIG.
直流交流変換手段12の主回路21は直流交流変換手段12中の直流電流および交流電流が実際に流れる回路であり、直流分センサ22は直流交流変換手段12の出力端付近に設けられたもので、交流電流中の直流分を検出するセンサである。
The
検出回路23は直流分センサ22の微少信号を増幅する回路であり、この検出回路23の一部であるCPU24はマイコン等で構成される集積回路であり、このCPU24にて直流分の発生と大きさを判定している。
The
つまり、直流交流変換手段12における直流分センサ22の信号を検出回路23に入力し、増幅等の処理後、マイコン等のCPU24に入力させ、直流分の発生と大きさを判定しているのである。
That is, the signal of the
直流分センサ22は微少な直流分を検出するため、ここでは0.01Ωの抵抗を2個並列、つまり0.005Ωの抵抗値としたシャント抵抗を使用しているが、これに限らず他のセンサを使用してもよい。
In order to detect a minute DC component, the
また検出回路23は、直流分センサ22の微少電圧を増幅し、アイソレーションアンプ等の絶縁された増幅回路を経由して、アクティブ・ローパス・フィルタ(ここでは4次フィルタ)により高周波成分をカットしたものを、この検出回路23の一部であるマイコン等のCPU24に出力する。
The
また検出回路23の一部であるマイコン等のCPU24内では、入力された信号により直流分の補正バイアスを設定し、それに直流分のバイアスリミッタを設けて、実際の出力電流波形生成に反映されるものである。
Further, in a
再び図1に戻って説明を進めると、直流交流変換手段12に接続された直流分検出無効化手段16は、上記検出回路23の一部であるマイコン等のCPU24内にて、ソフト的に直流分をゼロと判断しり、CPU24への入力信号そのものを無視したりする等の動作を行わせることにより、下記に示す特定の状況(交流出力電流波形計測手段15により過電流を検出した直後)時だけは、運転制御手段14によるシステムの継続的動作停止を回避するように構成されている。
Returning to FIG. 1 again, the DC component detection invalidating means 16 connected to the DC / AC converting means 12 is software-directed in a
さて、図1に示す構成においては、運転制御手段14の制御下において、交流出力電流波形計測手段15により、直流交流変換手段12から家庭内負荷13へと出力される交流電力(交流電流の出力波形)を逐一計測している。
In the configuration shown in FIG. 1, under the control of the
そして、交流出力電流波形計測手段15により過電流を検出した場合には、直ちに運転制御手段14により、システムを一時的動作停止状態とする。 When an overcurrent is detected by the AC output current waveform measuring means 15, the operation control means 14 immediately puts the system into a temporary operation stop state.
またこのように交流出力電流波形計測手段15により過電流を検出した場合には、その
時点から、所定時間の間だけ、直流分検出無効化手段16により、交流出力電流中における直流分検出を無効化し、システムが継続的動作停止モードへと移行するのを防止する。
Further, when the overcurrent is detected by the AC output current waveform measuring means 15 as described above, the DC component detection invalidating means 16 invalidates the DC component detection in the AC output current only for a predetermined time from that point. And prevent the system from entering the continuous shutdown mode.
図3の電流波形は直流交流変換手段12からの出力電流波形を示す。ここで通常の出力電流Iacの実効値はIac(rms)=5Aであり、ピーク値はその√2倍でIac(peak)=7.07Aであるが、ピーク値Iac(peak)の150%の相当する10.6A以上の過電流ピークIaco(閾値レベル)以上となったことを検出した直後に、上述のごとく直ちに運転制御手段14により、システムを一時的動作停止状態とする。
The current waveform in FIG. 3 shows the output current waveform from the DC /
したがってこれ以降は図3のごとく、出力電流は減衰することとなる。 Therefore, thereafter, as shown in FIG. 3, the output current is attenuated.
しかしこの図3に示すように、過電流が発生してから出力電流が停止するまでの間には、直流交流変換手段12からの出力電流波形は、正負のバランスがくずれて、あたかも直流分が発生したかのようなふるまいをしてしまう。 However, as shown in FIG. 3, the output current waveform from the DC / AC conversion means 12 is out of balance between positive and negative until the output current stops after the overcurrent occurs, as if the DC component is It behaves as if it occurred.
この時、実際には、直流交流変換手段12の回路や制御上の不具合により上述の直流分が発生したわけではないのにもかかわらず、直流分流出異常と誤判定してしまうので、交流出力電流波形計測手段15により過電流を検出した場合には、この過電流検出から出力停止するまでのtr0の間、つまり数msから数十ms間は、直流分検出無効化手段16により、直流分検出による不要なシステムの継続的動作停止モードへの移行をさせないようにしている。
At this time, in actuality, although the above-described DC component is not generated due to a circuit or control failure of the DC-
以上のごとく本実施形態では、交流出力電流波形計測手段15により、所定値以上の直流分を検出してからの所定時間は、交流出力電流中における直流分検出を無効化し、システムが継続的動作停止モードへと移行するのを防止するので、システムの稼動状態の悪化を抑制することが出来る。 As described above, in the present embodiment, the AC output current waveform measuring means 15 disables the DC component detection in the AC output current for a predetermined time after the DC component exceeding the predetermined value is detected, and the system operates continuously. Since the transition to the stop mode is prevented, deterioration of the operating state of the system can be suppressed.
図8は、交流出力電流波形計測手段15により過電流を検出し、直ちに運転制御手段14により、システムを一時的動作停止状態とした後の、動作を説明するものである。 FIG. 8 illustrates the operation after the overcurrent is detected by the AC output current waveform measuring means 15 and the system is immediately put into a temporary operation stop state by the operation control means 14.
すなわち、システムの上記一時停止状態の後、運転制御手段14により、自動的にシステムの再起動が行われるのであるが、直流交流変換手段12からの出力が徐々に大きくなるように、いわゆるソフトスタートを行うようになっている。 That is, after the system is temporarily stopped, the system is automatically restarted by the operation control means 14, but so-called soft start is performed so that the output from the DC / AC conversion means 12 gradually increases. Is supposed to do.
(実施の形態2)
図5は本発明の実施の形態2における燃料電池システムの構成図である。図5において図1と同じ構成要素については同一符号を用い、説明を簡略化する。
(Embodiment 2)
FIG. 5 is a configuration diagram of a fuel cell system according to
図5において、直流分検出無効化手段17は、交流出力電流中の直流分検出をする検出レベルの閾値レベルを上昇させる構成としたものである。 In FIG. 5, the DC component detection invalidating means 17 is configured to increase the threshold level of the detection level for detecting the DC component in the AC output current.
ここで、運転制御手段14は、交流出力電流波形計測手段15により、出力過電流を検出した直後は、直流分検出無効化手段17により直流分検出レベルの閾値を上げ、直流分の検出をしにくくし、これにより、前記運転制御手段14による継続的動作停止モードを実質的に無効化するものであって、直ちにシステムを継続的に動作停止させないので、システムの稼動状態の悪化を抑制することが出来る。 Here, immediately after the output overcurrent is detected by the AC output current waveform measuring means 15, the operation control means 14 increases the DC component detection level threshold by the DC component detection invalidating means 17 to detect the DC component. As a result, the continuous operation stop mode by the operation control means 14 is substantially invalidated, and the system is not continuously stopped immediately, so that deterioration of the operating state of the system is suppressed. I can do it.
(実施の形態3)
図6は本発明の実施の形態3における燃料電池システムの構成図である。図6において図1または図5と同じ構成要素については同一符号を用い、説明を簡略化する。
(Embodiment 3)
FIG. 6 is a configuration diagram of a fuel cell system according to
図6において、直流分検出無効化手段18は、検出された直流分に対する補正バイアスのゲインを上げるものである。 In FIG. 6, DC component detection invalidating means 18 increases the gain of the correction bias for the detected DC component.
ここで、運転制御手段14は、交流出力電流波形計測手段15により、出力過電流を検出した直後は、前記交流出力電流波形計測手段15により、所定値以上の直流分を検出してからの所定時間、直流分検出無効化手段18により、交流出力電流中の直流分検出レベルを閾値レベル以下に降下させる構成としており、これにより、前記運転制御手段14による継続的動作停止モードを実質的に無効化するものであって、直ちにシステムを継続的に動作停止させないので、システムの稼動状態の悪化を抑制することが出来る。 Here, immediately after the output overcurrent is detected by the AC output current waveform measuring means 15, the operation control means 14 detects a DC component equal to or greater than a predetermined value by the AC output current waveform measuring means 15. The time / DC component detection invalidating means 18 is configured to lower the DC component detection level in the AC output current below the threshold level, thereby substantially disabling the continuous operation stop mode by the operation control means 14. Since the system is not continuously stopped from operating immediately, deterioration of the operating state of the system can be suppressed.
(実施の形態4)
図7は本発明の実施の形態4における燃料電池システムの構成図である。図7において図1と同じ構成要素については同一符号を用い、説明を簡略化する。
(Embodiment 4)
FIG. 7 is a configuration diagram of a fuel cell system according to Embodiment 4 of the present invention. In FIG. 7, the same components as those in FIG.
本実施形態では、交流出力電流波形計測手段15と家庭内負荷13間に、単層三線の1:1の絶縁トランス19を設けたものである。
In the present embodiment, a single-layer three-wire 1: 1 insulating
つまり単層三線の1:1の絶縁トランス19を設ければ、一次側と二次側との分離により、直流分をカットすることが出来るのである。
In other words, if a 1: 1
本発明の燃料電池システムは、交流出力電流波形計測手段により、過電流所定を検出してからの所定時間は、前記検出回路からの出力を実質的に無効化する構成としたものであって、この場合にはシステムを継続的に動作停止させないので、システムの稼動状態の悪化を抑制することが出来る。 The fuel cell system of the present invention is configured to substantially invalidate the output from the detection circuit for a predetermined time after the overcurrent predetermined is detected by the AC output current waveform measuring means, In this case, since the operation of the system is not continuously stopped, the deterioration of the operating state of the system can be suppressed.
したがって、燃料電池を用いて経済的で安全な発電が行われることとなり、地球環の悪化抑制に大きく貢献するものとなる。 Therefore, economical and safe power generation is performed using the fuel cell, which greatly contributes to the suppression of deterioration of the global environment.
11 燃料電池
12 直流交流変換手段
13 家庭内負荷
14 運転制御手段
15 交流出力電流波形計測手段
16 直流分検出無効化手段
17 直流分検出無効化手段
18 直流分検出無効化手段
21 直流交流変換手段の主回路
22 直流分センサ
23 検出回路
24 CPU
DESCRIPTION OF
Claims (4)
前記運転制御手段は、前記検出回路が前記直流交流変換手段から負荷側への出力波形中の直流分を検出すると、前記燃料電池の動作を継続的な停止状態にするものとし、
前記運転制御手段は、前記交流出力電流波形計測手段により計測された波形の大きさが通常の発電出力電流よりも大きい閾値電流以上となったことを検出すると過電流として検出し、前記過電流を検出してからの所定時間は、前記検出回路が前記直流交流変換手段から負荷側への出力波形中の直流分を検出しても、前記燃料電池の動作を継続的な停止状態にしない構成とした燃料電池システム。 A fuel cell, DC / AC conversion means for converting DC power generated in the fuel cell into AC power and supplying AC power to a load, and AC output current for measuring an output waveform from the DC / AC conversion means to the load side Controls the operation of the waveform measurement means, the detection circuit for detecting the DC component in the output waveform from the DC / AC conversion means to the load side, the fuel cell, the DC / AC conversion means, the AC output current waveform measurement means, and the detection circuit Operation control means for
The operation control means, when the detection circuit detects a direct current component in the output waveform from the direct current alternating current conversion means to the load side, the operation of the fuel cell is continuously stopped.
The operation control means detects when it is detected that the magnitude of the waveform measured by the AC output current waveform measuring means becomes larger threshold current higher than normal power output current as the overcurrent, the overcurrent The predetermined time after the detection is such that the operation of the fuel cell is not continuously stopped even if the detection circuit detects a direct current component in the output waveform from the direct current alternating current conversion means to the load side. Fuel cell system.
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