JP5211633B2 - 燃料電池発電システム - Google Patents

Description

本発明は、インバータから過電流の出力を検知した場合、インバータに対する制御信号の出力を一時的に停止させるようにした燃料電池発電システムに関する。

燃料電池発電システムに組み込まれる燃料電池スタックは直流の電源であり、トランスやモータ、コンデンサ等の電気負荷に電力を供給するためには、この直流電力をインバータにより交流電力に変換する必要がある。また、燃料電池発電システムが自立運転している場合は、このインバータにより定電圧制御が行われる。更に、インバータには、このインバータに設けられている半導体素子などの電子部品を過電流から保護するための過電流保護機能が備えられている。

図６のフローチャートに示すように、この過電流保護機能は、先ず、燃料電池発電システムが自立運転制御へ移行するまで待機し（ステップＲ１）、自立運転制御へ移行した場合、インバータからの出力電流を監視する（ステップＲ２）。そして、インバータの出力電流が過電流トリップレベルを超えた場合、過電流発生と判定し、インバータの制御動作を停止させると共に、燃料電池スタックに供給する燃料を減少させて、燃料電池発電システムを停止させる（ステップＲ３）。

燃料電池発電システムが停止すると、電気負荷をＯＮ／ＯＦＦする電磁接触器が開動作し、燃料電池発電システムと電気負荷の電気的な接続が遮断される。

過電流を検出したとき、インバータを非常停止させる技術としては、例えば特許文献１に開示されているシステムがある。この文献に開示されている技術では、過電流が検出された場合、三相交流電源とインバータとの間に介装されている回路遮断機をトリップしてインバータの制御動作を停止させ、その後、リトライ可能である場合は、回路遮断器が復帰されるのを待って、リトライ制御を実行するようにしている。
特開平７−３０８０７４号公報

ところで、燃料電池発電システムが自立運転している状態で、トランスやモータ、コンデンサ等の電気負荷を投入すると、電気負荷に突入電流が流れる。図７（ａ）に示すように、この突入電流が、過電流保護機能として設定されている過電流トリップレベル（図７（ａ）においては１５０％）を超えた場合、過電流と誤判定するため、上述したように、インバータの運転が停止され、従って、このインバータの出力電圧が０％となり（図７（ｂ）,（ｃ））、燃料電池発電システムが非常停止される。その後、特許文献１に開示されているように、システムが復帰されるのを待ってリトライ制御が行われ、燃料電池発電システムが再起動される。

しかし、過渡的に発生する突入電流を過電流と誤判定する都度に燃料電池発電システムを非常停止させ、且つ再起動させることは、燃料電池スタックの性能劣化を助長し、耐久性の低下を招いてしまうばかりでなく、安定した運転を継続的に行うことができなくなる。

更に、非常停止から再起動させるまでに比較的長時間を要するため、燃料電池発電システムの運転効率も悪くなると云う問題もある。なお、このような問題は燃料電池発電システムが自立運転している際に、過電流が一時的に発生した場合にも生じる。

したがって、本発明の目的は、自立運転時において電気負荷を投入する際に過電流が発生した場合であっても、インバータに設けられている電子部品を過電流から保護することができるばかりでなく、運転を継続させることの可能な燃料電池発電システムを提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明の燃料電池発電システムは、燃料電池と、前記燃料電池の直流電力を交流電力に変換するインバータと、前記インバータを定電圧制御すると共に該インバータから過電流の出力を検知した場合に前記インバータに対する制御信号の出力を停止するインバータ制御回路とを備える燃料電池発電システムにおいて、前記インバータが電磁接触器を介して電気負荷に接続されており、前記インバータ制御回路では、燃料電池システムが自立運転へ移行後に前記インバータからの過電流の出力を検知した場合に、前記インバータに対する制御信号の出力を停止させた後、リトライ待ち時間経過後に前記インバータの出力電圧を定格電圧へ復帰させるリトライ制御を行い、前記リトライ待ち時間は、前記インバータに対する制御信号の出力が停止された後、前記電磁接触器が開放するまでの時間よりも短い時間に設定され、前記リトライ制御は、システム内部補機への電力供給が維持できる時間内に前記インバータの出力電圧を定格電圧へ復帰させることを特徴とする。

本発明の燃料電池発電システムによれば、インバータ制御回路がインバータからの過電流を検知してインバータに対する制御信号の出力を停止させた後、リトライ待ち時間経過後にインバータの出力電圧を定格電圧へ復帰させるリトライ制御を行うようにしたので、自立運転時において電気負荷を投入する際に過電流が発生した場合であっても、インバータに設けられている電子部品を過電流から保護することができると共に、システムの運転を停止させることなく継続させることが可能になる。

本発明の燃料電池発電システムは、前記インバータが電磁接触器を介して電気負荷に接続されており、前記リトライ待ち時間は前記インバータに対する制御信号の出力が停止された後、前記電磁接触器が開放するまでの時間よりも短い時間に設定されていることが好ましい。この態様によれば、リトライ待ち時間をインバータに対する制御信号の出力が停止された後、電磁接触器が開放するまでの時間よりも短い時間に設定したので、インバータが一時的に停止されても、電磁接触器が開放する前に自立運転を再開させることができる。

本発明の燃料電池発電システムは、前記リトライ制御を前記定格電圧よりも低い電圧であって、前記電磁接触器の接点の閉状態を維持する電圧よりも高い電圧から開始して、システム内部補機への電力供給が維持できる時間内に前記定格電圧へ復帰させることが好ましい。この態様によれば、リトライ制御を定格電圧よりも低い電圧から開始させるようにしたので、過電流の発生を抑制することができる。

本発明の燃料電池発電システムは、前記リトライ制御はシステム内部補機への電力供給が維持できる時間内に前記インバータの出力電圧を定格電圧へ復帰させることが好ましい。この態様によれば、リトライ制御において、システム内部補機への電力供給が維持できる時間内にインバータの出力電圧を定格電圧へ復帰させるようにしたので、燃料電池発電システムの運転を継続させた状態で、インバータをリトライさせることができる。

本発明によれば、インバータ制御回路は、インバータから過電流の出力を検知した場合、このインバータに対する制御信号の出力を停止させて、インバータに設けられている電子部品を過電流から保護し、その後、リトライ待ち時間経過後にインバータの出力電圧を定格電圧へ復帰させるようにしたので、自立運転時において電気負荷を投入する際に過電流が発生した場合であっても、インバータに設けられている電子部品を過電流から保護することができるばかりでなく、システムの運転を継続させることができる。

以下、図１〜図５の図面に基づいて本発明の一実施形態を説明する。図１は燃料電池発電システムの概略構成図である。

同図に示す燃料電池発電システム１は、単位セルを複数積層してなる燃料電池スタック２とインバータ３とを備えており、このインバータ３が、燃料電池スタック２から出力される直流電力を所定周波数、振幅の交流電力に変換するインバータ主回路（ＩＮＶ主回路）３ａと、インバータ制御回路（ＩＮＶ制御回路）３ｂとを有している。インバータ制御回路３ｂは、ＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡＭ，ＥＥＰ−ＲＯＭ等の不揮発性記憶手段等を有するマイクロコンピュータを主体に構成されており、ＣＰＵに記憶されている制御プログラムに従い、インバータ主回路３ａを制御する。

また、インバータ主回路３ａの出力側に接続されている電力線４には、インバータ主回路３ａからの出力電圧を検出する変圧器ＰＴが並列接続されていると共に、出力電流を検出する変流器ＣＴが直列接続されている。更に、この電力線４に内部補機５が並列接続されている。この内部補機５は、燃料電池スタック２を含む燃料電池発電システム１全体の運転を維持するために必要なポンプ、ブロア、ヒータ等の総称である。

また、この燃料電池発電システム１から延出する電力線４に、外部の電気負荷６が電磁接触器７の接点を介して接続されている。電磁接触器７は電磁石の吸引力により接点を開閉するもので、図示しない操作盤に設けられている操作スイッチのＯＮ／ＯＦＦすることで接点が閉／開される。また、燃料電池発電システム１が停止した場合も開動作される。

上述したインバータ制御回路３ｂでは、変圧器ＰＴと変流器ＣＴとで検出したインバータ主回路３ａからのインバータ出力電圧Ｖとインバータ出力電流Ｉとに基づき、インバータ主回路３ａから出力される交流電力の周波数、振幅を、予め設定した周波数、振幅となるように定電圧制御（フィードバック制御）を行う。

更に、このインバータ制御回路３ｂは、インバータ出力電流Ｉを監視し、このインバータ出力電流Ｉが、予め設定されている過電流トリップレベルＳＬｉを超えた場合、インバータ主回路３ａに対する制御信号の出力を一時的に停止した後、リトライ制御を実行する過電流保護機能を備えている。

インバータ制御回路３ｂで実行される過電流保護機能は、具体的には、図２に示すフローチャートに従って処理される。以下、図２に示す過電流制御ルーチン、及び図３、図４に示すタイムチャートを参照して、インバータ制御回路３ｂに備えられている過電流保護機能について説明する。

図２に示すルーチンでは、まず、ステップＳ１で、燃料電池発電システム１が自立運転へ移行するまで待機し、自立運転へ移行したとき、ステップＳ２へ進み、変流器ＣＴで検出したインバータ出力電流Ｉを監視する。すなわち、このステップＳ２では、インバータ出力電流Ｉと過電流トリップレベルＳＬｉとを比較する。

そして、Ｉ＞ＳＬｉのインバータ出力電流Ｉが過電流トリップレベルＳＬｉを超えた場合（図３の経過時間ｔ１）、過電流発生と判定し、ステップＳ３へ進み、インバータ主回路３ａに対する制御信号の出力を停止する。すると、インバータ主回路３ａの運転が停止し（図３（ｂ）参照）、インバータ３ａに設けられている半導体素子などの電子部品が過電流から保護される。

その後、ステップＳ４へ進み、インバータ主回路３ａに対する制御信号の出力を停止したときからのリトライ待ち時間（出力電力供給停止時間）を計時し、このリトライ待ち時間に達するまで待機する。燃料電池発電システム１を停止させることなく、運転を継続させた状態で自立運転を再開させようとした場合、インバータ主回路３ａからの出力電力を停止させた後、電磁接触器７の接点が開放する前までにインバータ出力電圧Ｖをリスタートさせる必要がある。従って、このリトライ待ち時間、及び後述するリスタート電圧は、電磁接触器７の接点の開閉特性に基づいて設定される。すなわち、リトライ待ち時間は電磁接触器７の接点が開放する時間よりも短い時間に設定され、また、リスタート電圧は電磁接触器７の接点が開放する電圧よりも高い値に設定される。

図５には、縦軸に定格電圧を１００％とした場合の電圧低下度、横軸にインバータ出力電圧が０％となったときからの電圧低下継続時間［ｍｓ］が示されている。同図に、本実施形態で採用する電磁接触器７を当てはめた場合、この電磁接触器７の電圧低下継続時間が１０ｍｓである場合、１０ｍｓ未満の瞬時停電では電磁接触器７の接点の閉状態が維持される。本実施形態では、電磁接触器７の電圧低下継続時間が１０ｍｓの場合、リトライ待ち時間を、１ｍｓ程度に設定している。

そして、リトライ待ち時間が経過すると（図３の経過時間ｔ２）、ステップＳ５へ進み、インバータ制御回路３ｂを自動故障リセットさせる。自動故障リセット操作により、インバータ主回路３ａからの電力の出力を再開させ、ステップＳ６へ進み、予め設定されているリスタート電圧を出力する。

ところで、過電流の発生を防止するためには、リスタート電圧をなるべく低く設定した方が好ましい。しかし、このリスタート電圧をあまり低く設定すると電磁接触器７の接点が閉状態を維持することができなくなり、開放してしまう。上述した図５に示すように、本実施形態で採用する電磁接触器７は、定格出力電圧を１００％とした場合、５０％程度の電圧で接点の閉状態を維持することができる。従って、電磁接触器７の接点が開放することなく、閉状態を維持したままリスタートさせることのできる電圧レベルとしては、定格出力電圧を１００％とした場合、約６０％（電圧低下度で表した場合は、４０％）程度が好ましい。

その後、ステップＳ７へ進み、過電流が発生したか否かを、上述したステップＳ２と同様、インバータ出力電流Ｉと過電流トリップレベルＳＬｉとを比較して判定する。リスタート電圧を出力すると、当然突入電流が発生する。そして、この突入電流が、図３（ａ）の経過時間ｔ２に示すように、過電流トリップレベルＳＬｉ以下の場合は（Ｉ≦ＳＬｉ）、ステップＳ８へ進み、インバータリトライ制御を実行する。又、図４（ａ）の経過時間ｔ２に示すように、リスタート電圧の出力によって発生した突入電流が過電流トリップレベルＳＬｉを超えた場合は（Ｉ＞ＳＬｉ）、ステップＳ３へ戻り、インバータ主回路３ａの運転を停止させて、インバータ３ａに設けられている半導体素子などの電子部品を過電流から保護する。

図４にはリスタート電圧を出力したとき、インバータ主回路３ａからの出力電流Ｉ（突入電流）が過電流トリップレベルＳＬｉを超えた場合のタイムチャートが記載されている。上述したステップＳ７において、突入電流が過電流トリップレベルＳＬｉを超えたと判定した場合、ステップＳ３へ戻り、所定リトライ待ち時間経過後に、再度リスタート電圧が出力される。そして、そのとき発生する突入電流が過電流トリップレベルＳＬｉ以下を示すまで、リトライ待ち時間経過毎にリスタートが繰り返される。

このように、本実施形態では、リスタート時に発生するインバータ出力電流Ｉ（突入電流）が過電流トリップレベルＳＬｉを超えている場合は（Ｉ＞ＳＬｉ）、所定リトライ待ち時間経過後に、再度リスタート電圧を出力し、このインバータ出力電流Ｉ（突入電流）が過電流トリップレベルＳＬｉ以下となるまで、リスタートを繰り返すようにしたので、燃料電池発電システム１の運転をより確実に継続させることができる。

そして、ステップＳ７において、インバータ出力電流Ｉ（突入電流）が過電流トリップレベルＳＬｉ以下と判定された場合（Ｉ≦ＳＬｉ）、ステップＳ８へ進み、インバータリトライ制御を実行する。

このインバータリトライ制御では、図３（ｃ）の経過時間ｔ２〜ｔ３、図４（ｃ）の経過時間ｔ３〜ｔ４に示すように、インバータ出力電圧Ｖをリスタート電圧から所定の増加率で立ち上げて、インバータ出力電圧Ｖを定格電圧へ復帰させる。燃料電池発電システム１の運転を継続させた状態で、インバータ３をリトライさせるためには、内部補機５に対する電力供給を継続させておく必要がある。この内部補機５に対する電力供給を維持させるためには、この内部補機５が停止する前にインバータ主回路３ａからの電力供給を定格電圧（１００％）に復帰させる必要がある。本実施形態では、内部補機５を停止させることなく電力供給を定格電圧に復帰させるまでの時間（リトライスタート時間：図３（ｃ）のｔ１〜ｔ３、図４（ｃ）のｔ１〜ｔ４）を１０００ｍｓに設定している。

尚、上述したように、リスタート電圧は電磁接触器７の接点の閉状態を維持する電圧よりも高い値に設定されている。そのため、図５に示すように、インバータリトライ制御時のインバータ出力電圧Ｖは、常に電磁接触器７の接点の閉状態を維持する電圧よりも高い状態が維持されている。従って、リトライスタート時間内では、電磁接触器７の接点が開放してしまうことが無く、電磁接触器７の下流に接続されている電気負荷６への電力供給を継続させることができる。

この場合、例えば図４に示すように、リトライスタート時間（図４（ｃ）のｔ１〜ｔ４）は予め設定されるため（本実施形態では、１０００ｍｓ）、リスタートを複数回繰り返した場合には、インバータリトライ制御において設定されるインバータ出力電圧Ｖの増加率が大きくなる。

そして、インバータ出力電圧Ｖが定格出力電圧に達したとき（図３の経過時間ｔ３、図４の経過時間ｔ４）、インバータリトライ制御を終了し、ステップＳ９へ進み、燃料電池発電システム１の自立運転制御を再開する。

このように、本実施形態では、リトライ待ち時間、リスタート電圧、及びインバータリトライ制御における電圧上昇率を電磁接触器７の接点の開閉特性に基づいて設定し、更に、電力供給量を定格電圧（１００％）に復帰させるまでのリトライスタート期間を、インバータの運転が停止してから内部補機５が停止するまでの時間よりも短く設定したので、電気負荷６を投入した際に過電流が発生し、インバータ３の運転を一時的に停止させても、電磁接触器７の接点が開放する前に電力供給を再開させることができる。その結果、燃料電池発電システム１を停止させることが無く運転を継続させることができ、燃料電池発電システム１の運転効率が向上する。

燃料電池発電システムの概略構成図 過電流制御ルーチンを示すフローチャート 突入電流が発生した際の燃料電池発電システムの動作例を示すタイムチャート リスタート電圧を出力した際に発生した突入電流が過電流と判定された場合の燃料電池発電システムの動作例を示すタイムチャート インバータリトライ制御時のインバータ出力電圧と電磁接触器の閉状態を維持する電圧との関係を示す図表 従来の過電流制御ルーチンを示すフローチャート 従来の突入電流が発生した際の燃料電池発電システムの動作例を示すタイムチャート

符号の説明

１：燃料電池発電システム
２：燃料電池スタック
３：インバータ
３ａ：インバータ主回路
３ｂ：インバータ制御回路
４：電力線
５：内部補機
６：電気負荷
７：電磁接触器
ＣＴ：変流器
ＰＴ：変圧器
Ｉ：インバータ出力電流
ＳＬｉ：過電流トリップレベル
Ｖ：インバータ出力電圧

Claims (2)

1. 燃料電池と、前記燃料電池の直流電力を交流電力に変換するインバータと、前記インバータを定電圧制御すると共に該インバータから過電流の出力を検知した場合に前記インバータに対する制御信号の出力を停止するインバータ制御回路とを備える燃料電池発電システムにおいて、
   前記インバータが電磁接触器を介して電気負荷に接続されており、
   前記インバータ制御回路では、燃料電池システムが自立運転へ移行後に前記インバータからの過電流の出力を検知した場合に、前記インバータに対する制御信号の出力を停止させた後、リトライ待ち時間経過後に前記インバータの出力電圧を定格電圧へ復帰させるリトライ制御を行い、
   前記リトライ待ち時間は、前記インバータに対する制御信号の出力が停止された後、前記電磁接触器が開放するまでの時間よりも短い時間に設定され、
   前記リトライ制御は、システム内部補機への電力供給が維持できる時間内に前記インバータの出力電圧を定格電圧へ復帰させることを特徴とする燃料電池発電システム。
2. 前記リトライ制御は前記定格電圧よりも低い電圧であって、前記電磁接触器の接点の閉状態を維持する電圧よりも高い電圧から開始して、システム内部補機への電力供給が維持できる時間内に前記定格電圧へ復帰させる、請求項１記載の燃料電池発電システム。

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