JP5403108B2 - 燃料電池システム - Google Patents

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。

従来の燃料電池システムとしては、補機電力の供給を、燃料電池停止中は商用交流電源から供給し、発電開始後もソフトスタートさせたインバータ出力、つまり交流出力電力より徐々に電力を供給する燃料電池システムがあった。（例えば、特許文献１参照）。図６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の制御装置を示すものである。

図６において、燃料極および酸化剤極に燃料ガスおよび酸化剤ガスを供給し、電気化学反応を利用して発電を行い、電極間から直流電力を取り出す燃料電池１と、出力側が系統連系遮断器４および補機切離用遮断器５を直列に介して商用交流電源３に接続され、燃料電池１から出力される直流電力を交流に変換するインバータ２と、系統連系遮断器４および補機切離用遮断器５との連系点に接続された補機６と、インバータ２の出力電力を制御する制御回路７とを備えて構成され、燃料電池１の停止中は補機切離用遮断器５を閉じると共に、系統連系遮断器４を開いて商用交流電源３から補機６へ電力を供給し、燃料電池１の発電開始時には、制御回路７よりインバータ電圧をソフトスタートさせて、インバータ出力電圧が確立した時点で、系統連系遮断器４を閉じて、インバータ出力電力を補機へ供給していた。

特開平１０−２１０６８５号公報

しかしながら、前記従来の構成では、補機電力の供給を、燃料電池停止中は商用電源から、燃料電池発電時はインバータ出力から供給を受けており、いづれの場合も商用電源側から電力を供給しており、補機からの高調波出力電流歪の影響が大きいという課題を有していた。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、燃料電池発電時は、商用電源側への補機からの高調波出力電流歪の発生を抑え、その影響をなくすことを目的とする。

前記従来の課題を解決するために、本発明の燃料電池システムは、燃料電池発電時は、補機電力を燃料電池からの供給に切換えるものである。

本構成によって、燃料電池発電時は、商用電源側への補機からの高調波出力電流歪の発生を抑え、その影響をなくすことができる。

本発明の燃料電池システムによれば、燃料電池発電時、特に定格発電時に、商用電源側への補機からの高調波出力電流歪の発生を抑え、その影響をなくすことが可能となる。また、系統で異常が発生した場合に、燃料電池システムを安全に停止させることができる。

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 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 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 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 本発明の実施の形態５における燃料電池システムの構成図 従来の燃料電池システムの構成図

第１の発明は、
燃料電池と、
商用電源に接続され、前記燃料電池からの直流電力を交流電力に変換し、前記商用電源とともに家庭内負荷に交流電力を供給する直流交流変換手段と、
起動から発電までの一連の動作を制御する運転制御手段と、
補機への電源供給元を、前記燃料電池からと前記商用電源からとで切換える電源切換手段と、
前記燃料電池あるいは前記商用電源からの電力をもとに前記補機用電源を発生させる補機電源発生手段と、
前記商用電源での系統異常を検知する商用電源異常検知手段と、
を備えている燃料電池システムにおいて、
前記運転制御手段は、前記電源切換手段により、前記補機電源発生手段の電源供給元を、前記燃料電池による発電以前では前記商用電源から電源供給し、前記燃料電池による発電後は前記燃料電池からの電源供給に切換え、前記商用電源異常検知手段が前記商用電源の異常を検知した場合、前記直流交流変換手段による交流電力の出力を停止させた後に前記燃料電池から前記補機に電源供給を継続して、前記補機による前記燃料電池システムの停止処理を行うことにより、燃料電池発電時は、商用電源側への補機からの高調波出力電流歪の発生を抑え、その影響をなくすことができる。また、商用電源に何らかの異常が発生し、直流交流変換手段からの電力出力が停止した後も、燃料電池から引き続き補機へ電源を供給して、燃料電池システムを完全に停止させるための処理を順次実施することが可能となる。

第２の発明は、特に第１の発明の燃料電池システムに加え、直流電圧検知手段を備え、運転制御手段は、直流電圧検知手段により、燃料電池出力での直流電圧が閾値以上であると検知された場合に、補機電源元を電源切換手段により、燃料電池からの電源供給に切換えることにより、燃料電池での直流電圧が安定した電圧まで上昇後に補機電源とするので、燃料電池の出力電力の急変による特性劣化を抑制することができる。

第３の発明は、特に第２の発明の運転制御手段は、直流電圧検知手段により、燃料電池出力での直流電圧が閾値以下であると検知された場合は、補機電源元を電源切換手段により、商用電源からの電源供給に切換えることにより、燃料電池の発電中での電圧低下時に、燃料電池にかかる負担を軽減すると共に、燃料電池の発電停止の際に、より正確なタイミングで電源供給元を切換えることができ、いずれも燃料電池の特性劣化を抑制することができる。

第４の発明は、特に第１の発明の燃料電池システムに加え、電流計測手段を備え、運転制御手段は、補機電源を燃料電池から供給されている時に、電流計測手段により一定電流以上の電流が補機に流れないようにすることにより、突入電流や過度の電流が補機に流れるのを防ぐことができ、燃料電池の特性劣化を抑制することができる。

第５の発明は、特に第４の発明の運転制御手段は、補機電源を燃料電池から供給されている時に、電流計測手段により一定電流以上の電流が補機に流れたと検知された場合、補
機電源供給元を電源切換手段により、商用電源からの電源供給に切換えることにより、燃料電池の出力電流の急変による特性劣化を抑制することができる。

第６の発明は、特に第１の発明の燃料電池システムに加え、前記運転制御手段は、前記燃料電池システムの停止処理において、燃料を処理する燃料処理装置から前記燃料電池までの経路に存在する水素をパージすることにより、燃料電池システムを安全に停止させるものである。

第７の発明は、特に第１の発明の燃料電池システムに加え、異常報知手段を備え、運転制御手段は、商用電源異常検知手段による商用電源異常検知時、直流交流変換手段による交流電力出力停止後も燃料電池からの電源供給を継続して、補機による燃料電池システムの停止処理を実施後、異常報知手段による異常報知を行うことにより、燃料電池システムを完全に停止させた後に異常報知させるので、安心して異常報知内容を確認することができるものである。

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。

（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。

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を原料として燃料電池１１で発電が行われる。直流交流変換手段１２は商用電源に接続され、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。運転制御手段１４は起動から発電までの一連の動作を制御するものである。電源切換手段１５は補機１７への電源供給元を燃料電池からと商用電源からとで切換える。また切換えられた燃料電池１１からの電力あるいは商用電源からの電力をもとに補機電源発生手段１６にて補機１７用の電源を作るものである。

ここで補機１７の例として挙げられるのは、浄化空気ポンプ、改質水ポンプ、変成水ポンプ、浄化水ポンプ、冷却水ポンプ等のポンプ類で、オン・オフ制御により動作量の制御を行う。また比例弁、電磁弁、混合弁等の弁類があり、燃料および空気のオン・オフ制御が行われる。またブースタ、燃焼ファン、冷却ファン、換気ファン等のファンモータ類があり、回転数制御が行われる。

運転制御手段１４は、電源切換手段１５により、補機電源発生手段１６の電源供給元として、燃料電池１１による発電以前の起動時には商用電源、つまり交流電源から電源供給し、燃料電池１１による発電後は、燃料電池１１つまり直流電源からの直接の電源供給に切換えるものである。以上のように電源を切換えた後、補機電源発生手段１６において補機１７、つまり例として前述した補機類に供給する電源を作るものである。

ここで補機電源発生手段１６においてつくる電源としては、弁類やポンプ類にはＤＣ２４Ｖ、ファンモータ類にはＤＣ１２Ｖ、マイコン等の制御回路にはＤＣ５Ｖである。

つまり燃料電池１１による発電以前の起動時には、商用電源のＡＣ１００ＶからＤＣ２４Ｖ、ＤＣ１２Ｖ、ＤＣ５Ｖの電源が作られる。これはＡＣ−ＤＣコンバータ電源である。そして燃料電池１１による発電後は、燃料電池１１のおよそＤＣ５０ＶからＤＣ２４Ｖ、ＤＣ１２Ｖ、ＤＣ５Ｖの電源が作られる。これはＤＣ−ＤＣコンバータ電源で、直流側のみで電源が作られるもので、商用電源側へは一切影響が出ないものである。

かかる構成によれば、燃料電池発電時は、補機電源は燃料電池側、つまり直流電源側か
らとることになり、商用電源側への補機からの高調波出力電流歪の発生が抑えられ、その影響をなくすことができるものである。

（実施の形態２）
図２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２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、説明を省略する。

図２において、直流電圧検知手段１８は燃料電池１１の出力端に接続され、直接燃料電池１１の直流電圧出力を検知するものである。

運転制御手段１４は、直流電圧検知手段１８により、燃料電池１１の出力端での直流電圧値が閾値以上、ここではＤＣ３５Ｖ以上であると検知された場合に、補機電源の供給元を電源切換手段１５により、商用電源から燃料電池１１からの直流電源供給に切換えるものである。

ここで前述の閾値ＤＣ３５Ｖ以上とは、直流交流変換手段１２により定格出力、ここでは１ｋＷ出力が可能な直流入力側の電圧であり、この電圧以上であれば安定した燃料電池発電が継続できる電圧である。またＤＣ３５Ｖ以上であれば、補機類において使用する電圧ＤＣ２４Ｖ、ＤＣ１２Ｖ、ＤＣ５Ｖのそれぞれの電源をＤＣ−ＤＣコンバータ電源にて作ることができるものである。

かかる構成によれば、燃料電池での直流電圧が安定した電圧まで上昇後に補機電源とするので、燃料電池の出力電力の急変による特性劣化を抑制することができる。

また、運転制御手段１４は、直流電圧検知手段１８により、燃料電池１１出力での直流電圧が閾値以下であると検知された場合は、補機電源元を電源切換手段１５により、商用電源からの電源供給に切換えるものである。

運転制御手段１４は、燃料電池１１の出力端での直流電圧値が閾値以下、ここではＤＣ３０Ｖ以下であると検知された場合は、補機電源の供給元を電源切換手段１５により、燃料電池１１から商用電源からの交流電源供給に切換えるものである。

ここで前述のＤＣ３０Ｖ以下とは、直流交流変換手段１２内において内部回路のＤＣ−ＤＣコンバータにてＤＣ３５０Ｖまで昇圧するための必要電圧以下であり、ＡＣ２００Ｖ出力形成できない電圧であるため、発電が停止する電圧である。またＤＣ３０Ｖ以下では、補機類において使用する電圧のうち、ＤＣ２４Ｖ電源をＤＣ−ＤＣコンバータ電源にて形成できないものである。

かかる構成によれば、燃料電池の発電中での電圧低下時に、燃料電池にかかる負担を軽減すると共に、燃料電池の発電停止の際に、より正確なタイミングで電源供給元を切換えることができ、いづれも燃料電池の特性劣化を抑制することができる。

（実施の形態３）
図３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３において図１または図２と同じ構成要素については同一符号を用い、説明を省略する。

図３において、電流計測手段１９により、燃料電池１１から補機１７、正確には電源切換手段１５へ流れる直流電流値を計測するものである。

運転制御手段１４は、補機電源を燃料電池１１から供給されている時に、電流計測手段
１９により一定電流値以上の電流、ここでは定格電流の１．５倍以上の電流が補機１７に流れないようにするものである。

つまり運転制御手段１４は、補機電源供給元を商用電源から燃料電池１１に切換えた瞬間に流れる突入電流がどれだけかを監視するとともに、電流制限抵抗等（図示せず）により、燃料電池１１から直流電流を供給中に過度の電流が流れないようにするものである。

かかる構成によれば、突入電流や過度の電流が補機に流れるのを防ぐことができ、燃料電池の特性劣化を抑制することができる。

また運転制御手段１４は、補機電源を燃料電池１１から供給されている時に、電流計測手段１９により一定電流値以上の電流が補機１７に流れたと検知された場合、補機電源供給元を電源切換手段１５により、商用電源からの電源供給に切換えるものである。

つまり運転制御手段１４は、補機電源を燃料電池１１から供給されている時に、一定電流値以上の電流、ここでは定格電流の１．５倍以上の電流が補機１７に流れたと検知された場合、直流交流変換手段１２に流れる通常発電用電流以上に過度の電流が流れた場合は、燃料電池１１の特性劣化につながる危険性があるので、この場合は補機電源供給元を電源切換手段１５により、商用電源からの電源供給に切換えて、安定した発電を継続するものである。

かかる構成によれば、燃料電池の出力電流の急変による特性劣化を抑制することができる。

（実施の形態４）
図４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４において図１または図２、図３と同じ構成要素については同一符号を用い、説明を省略する。

図４において、商用電源異常検知手段２０は、商用電源におけるさまざまな系統異常、例えば瞬時停電、瞬時電圧低下、あるいは線間過電圧や過電流また電圧位相のずれ等々を検知するものである。

運転制御手段１４は、商用電源異常検知手段２０による商用電源異常検知時、直流交流変換手段１２による交流電力出力停止後も燃料電池１１からの電源供給を継続して、補機１７による燃料電池システムの停止処理を行うものである。

つまり運転制御手段１４は、商用電源異常検知時、直流交流変換手段１２による交流電力出力を停止し、商用電源から切離された後も、燃料電池１１から直接直流電源の供給を継続して受け、補機１７による燃料電池システムの停止処理、例えば燃料処理装置から燃料電池１１までの経路（図示せず）に存在する水素をパージして、燃料電池システムを安全に停止させるものである。また燃料電池１１にて余った直流電力を処理するものである。

かかる構成によれば、商用電源に何らかの異常が発生し、直流交流変換手段からの電力出力が停止した後も、燃料電池から引き続き補機へ電源を供給して、燃料電池システムを完全に停止させるための処理を順次実施することが可能となる。

また運転制御手段１４は、商用電源異常検知手段２０による商用電源異常検知時、一定時間後の直流交流変換手段１２による交流電力出力再開までの間、補機１７への燃料電池１１からの電源供給を継続して、補機１７による燃料電池システムの待機処理を行うもの
である。

つまり運転制御手段１４は、瞬時停電や線間過電圧等の短時間で復帰するような商用電源異常時において、およそ１分程度以内の直流交流変換手段１２による交流電力出力、系統連系再開までの間、補機１７への燃料電池１１からの電源供給を継続して、補機１７による燃料電池システムの待機処理、例えば燃料電池１１での電力をシステムの経路にて消費したり、あるいは蓄電するなどの処理を行うものである。

かかる構成によれば、商用電源に何らかの異常が発生し、直流交流変換手段からの電力出力が一時停止した後も、出力再開するまでの間に、燃料電池から引き続き補機へ電源を供給して、電力を消費することにより、安全に待機処理をすることができる。

（実施の形態５）
図５は本発明の実施の形態５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または図２、図３、図４と同じ構成要素については同一符号を用い、説明を省略する。

図５において、異常報知手段２１は、商用電源異常検知手段２０により商用電源で何らかの異常が発生したと検知された場合に異常報知するもので、ＬＥＤ、蛍光表示管、液晶などによる表示や、ブザー、チャイム、音声合成などによる報知（図示せず）により異常を知らせるものである。

運転制御手段１４は、商用電源異常検知手段２０による商用電源異常検知時、直流交流変換手段１２による交流電力出力停止後も燃料電池１１からの電源供給を継続して、補機１７による燃料電池システムの停止処理を実施後、異常報知手段２１による異常報知を行うものである。

つまり運転制御手段１４は、商用電源での短時間で復帰しない異常や、直流交流変換手段１２に対する故障の原因となるような異常については、安全にシステムが停止するために、燃料電池１１からの電源供給を継続して、補機１７による燃料電池システムの停止処理を実施後、異常報知手段２１による異常報知を行い、使用者あるいはサービスマンにその旨を報知するものである。

かかる構成によれば、燃料電池システムを完全に停止させた後に異常報知させるので、安心して異常報知内容を確認することができるものである。

本発明の燃料電池システムは、燃料電池による発電時は、補機電源を直接燃料電池出力からとるため、商用電源側への補機からの高調波出力電流歪の発生が抑えられ、その影響をなくすことができるものであり、燃料電池を用いて安定した発電が行われる燃料電池システムに有用である。これはまた他の方式の電池や動力源を用いた発電システムにも応用が可能である。

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 電源切換手段
１６ 補機電源発生手段
１７ 補機
１８ 直流電圧検知手段
１９ 電流計測手段
２０ 商用電源異常検知手段
２１ 異常報知手段

Claims (4)

1. 燃料電池と、
   商用電源に接続され、前記燃料電池からの直流電力を交流電力に変換し、前記商用電源とともに家庭内負荷に交流電力を供給する直流交流変換手段と、
   起動から発電までの一連の動作を制御する運転制御手段と、
   補機への電源供給元を、前記燃料電池からと前記商用電源からとで切換える電源切換手段と、
   前記燃料電池あるいは前記商用電源からの電力をもとに前記補機用電源を発生させる補機電源発生手段と、
   前記商用電源での系統異常を検知する商用電源異常検知手段と、
   前記燃料電池から補機へ流れる直流電流値を計測する電流計測手段と、
   を備えている燃料電池システムにおいて、
   前記運転制御手段は、前記電源切換手段により、前記補機電源発生手段の電源供給元を、前記燃料電池による発電以前では前記商用電源から電源供給し、前記燃料電池による発電後は前記燃料電池からの電源供給に切換え、前記商用電源異常検知手段が前記商用電源の異常を検知した場合、前記直流交流変換手段による交流電力の出力を停止させた後に前記燃料電池から前記補機に電源供給を継続して、前記補機による前記燃料電池システムの停止処理を行い、
   前記補機電源を前記燃料電池から供給されている時に、前記電流計測手段により一定電流以上の電流が前記補機に流れたと検知された場合、前記補機電源供給元を前記電源切換手段により、前記商用電源からの電源供給に切換えることを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記運転制御手段は、前記補機電源を前記燃料電池から供給されている時に、前記電流計測手段により一定電流以上の電流が前記補機に流れないようにすることを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
3. 前記運転制御手段は、前記燃料電池システムの停止処理において、燃料を処理する燃料処理装置から前記燃料電池までの経路に存在する水素をパージする、
   請求項１又は２に記載の燃料電池システム。
4. 異常内容を報知する異常報知手段を備え、
   前記運転制御手段は、前記商用電源異常検知手段による前記商用電源異常検知時、前記直流交流変換手段による交流電力出力停止後も前記燃料電池からの電源供給を継続して、前記補機による前記燃料電池システムの停止処理を実施後、前記異常報知手段による異常報知を行うことを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池システム。