JP5655549B2

JP5655549B2 - 燃料電池システム

Info

Publication number: JP5655549B2
Application number: JP2010286315A
Authority: JP
Inventors: 喜代実山下
Original assignee: Aisin Seiki Co Ltd; Aisin Corp
Current assignee: Aisin Corp
Priority date: 2010-12-22
Filing date: 2010-12-22
Publication date: 2015-01-21
Anticipated expiration: 2030-12-22
Also published as: JP2012134059A

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。

燃料電池システムの一形式として、特許文献１に示されているものが知られている。特許文献１の図２に示されているように、燃料電池システムは、燃料ガス１９と酸化剤ガス１４との電気化学的反応により発電する燃料電池１２と、燃料電池１２から出力される直流電圧を変圧するＤＣ／ＤＣコンバータ２０と、ＤＣ／ＤＣコンバータ２０の出力側に接続され、系統電源３６と連系するために、ＤＣ／ＤＣコンバータ２０で変圧された直流電圧を交流電圧に変換するＤＣ／ＡＣインバータ２２と、燃料電池１２用の補機３０、３１、３２に電力を供給する補機動力端子２５と、補機動力端子２５を、燃料電池１２の出力側とＤＣ／ＡＣインバータ２２の出力側との間で切り換える切換回路４４とを備えている。

この燃料電池システムにおいては、燃料電池発電システム３９は、通常の運転時において、上記燃料電池１２の出力側から切換回路４５を通じて電力を補機３０、３１、３２に供給しながら、メインコントロール部４２により発電制御を行うようになっている。また、メインコントロール部４２は、燃料電池１２の電気化学的反応が燃料ガス１９又は酸化剤ガス１４の供給中断等により一時的に低下した状態を検知したときや、過負荷により燃料電池１２の出力電圧が異常に低下した状態を検知した場合（すなわち発電中に燃料電池から補機への電力供給に異常が発生した場合）には、燃料電池１２の電気化学的反応が回復するまで補機３０、３１、３２に対する電力を系統電源３６から供給するように切換回路４５を構成し直すようになっている。

また、燃料電池システムの他の一形式として、特許文献２に示されているものが知られている。特許文献２の図１に示されているように、燃料電池システムは、水素ガスと酸化剤ガスとを反応させて発電を行う燃料電池スタック５と、燃料電池スタック５で発電した電気を交流に変換するインバータ３と、起動、発電、停止の一連の動作を制御する制御手段４と、商用電源から制御手段に供給する直流電源を作るＡＣ／ＤＣコンバータ９と、発電した燃料電池スタックの直流電源から制御手段に供給する直流電源を作るＤＣ／ＤＣコンバータ１０と、制御手段に供給する電源を切替える電源切替え手段１１と、ＡＣ／ＤＣコンバータ９の入力電源を切断する系統切断手段１２を有し、系統切断手段１２は燃料電池スタック５が発電状態となったら、ＡＣ／ＤＣコンバータ９の入力電源を切断し、ＡＣ／ＤＣコンバータ９と電力系統とを切り離すことができるので、発電中のＡＣ／ＤＣコンバータの高調波電流歪の影響を排除でき、高調波電流歪を低減することができるものである。

この燃料電池システムにおいて、発電中に燃料電池から補機への電力供給に異常が発生した場合、系統切断手段１２を切断状態から連結状態にしなければならない。

特開２００３−２４３０１１号公報特開２００７−２４２３２９号公報

上述した特許文献１に記載されている燃料電池システムにおいては、発電中に燃料電池から補機への電力供給に異常が発生した場合には、燃料電池１２の電気化学的反応が回復するまで補機３０、３１、３２に対する電力を系統電源３６から供給するように切換回路４５を構成し直す（切り換える）ようになっているものの、その切り換えの際には、燃料電池からも系統電源からも補機に対して電力が供給されない時間が発生する。このため、補機が停止するため燃料電池システムを正常に運転することができないという問題があった。

上述した特許文献２に記載されている燃料電池システムにおいても、発電中に燃料電池から補機への電力供給に異常が発生した場合には、系統切断手段１２を切断状態から連結状態にすればよいが、その切り換えの際には、燃料電池からも系統電源からも補機に対して電力が供給されない時間が発生する。このため、補機が停止するため燃料電池システムを正常に運転することができないという問題があった。

本発明は、上述した問題を解消するためになされたもので、燃料電池システムにおいて、発電中に燃料電池から補機への電力供給に異常が発生した場合、補機に対して確実に電力を供給して、システム全体を正常に運転することを目的とする。

上記の課題を解決するため、請求項１に係る発明は、燃料と酸化剤ガスとにより発電する燃料電池と、燃料電池に燃料および酸化剤ガスを供給するための補機と、補機を制御する制御用マイコンと、燃料電池から出力される直流電力を補機および制御用マイコンに供給する第１の電力供給ラインと、第１の電力供給ライン上に設けられ、燃料電池から出力される直流電力を入力し所定の直流電力に変換して補機および制御用マイコンに出力するＤＣ／ＤＣコンバータと、交流の系統電源と、系統電源と第１の電力供給ライン上であって燃料電池とＤＣ／ＤＣコンバータとの間の部分とを接続している第２の電力供給ラインと、起動運転時および停止運転時だけでなく定常運転時においても、系統電源から出力される交流電力を入力し直流電力に変換してＤＣ／ＤＣコンバータに出力するＡＣ／ＤＣコンバータと、第１の電力供給ライン上であって第２の電力供給ラインとの合流点より燃料電池側に設けられ、燃料電池からＤＣ／ＤＣコンバータに向けて流れる電流のみを許容する第１整流素子と、第２の電力供給ライン上に設けられ、ＡＣ／ＤＣコンバータから第１の電力供給ラインに向けて流れる電流のみを許容する第２整流素子と、第１の電力供給ライン上であって第２の電力供給ラインとの合流点より燃料電池側に設けられ、燃料電池とＤＣ／ＤＣコンバータとの間を、起動運転時および停止運転時において遮断し、定常運転時において連通するスイッチと、を備え、ＡＣ／ＤＣコンバータは、低待機電力を低待機運転時に出力するためのスタンバイ電源部と、低待機電力より高い補機の駆動に必要な電力を定常運転時に出力するためのメイン電源部と、を備え、定常運転時であって燃料電池が所定発電量以上で発電している場合には、低待機電力を出力する低待機運転で稼働され、一方、定常運転時であって燃料電池が所定発電量未満で発電している場合、起動運転時である場合および停止運転時である場合には、低待機電力より高い補機の駆動に必要な電力を出力する定常運転で稼働される。

また請求項２に係る発明は、請求項１において、第１の電力供給ラインを流れる電流の電流値を測定する電流測定装置をさらに備えている。

また請求項３に係る発明は、請求項１または請求項２において、スタンバイ電源部は、スイッチング電源であり、低待機運転時にメイン電源部の電力消費がない場合、スイッチング素子のスイッチング動作を一定期間継続させ、次に一定期間スイッチング動作を停止させるのを繰り返す間欠発振方式で動作されている。

上記のように構成した請求項１に係る発明においては、定常運転中（発電中）において、燃料電池とＤＣ／ＤＣコンバータとの間はスイッチを介して連通している。よって、燃料電池から出力される直流電力は、第１の電力供給ラインに設けられた第１整流素子を介してＤＣ／ＤＣコンバータに供給されている。一方、ＡＣ／ＤＣインバータは、起動運転時および停止運転時だけでなく定常運転時においても、系統電源から出力される交流電力を入力し直流電力に変換してＤＣ／ＤＣコンバータに出力する。このＡＣ／ＤＣコンバータから出力される直流電力は、第２の電力供給ラインに設けられた第２整流素子を介してＤＣ／ＤＣコンバータに供給されている。

このように構成された燃料電池システムにおいて、定常運転中に燃料電池から補機への電力供給に異常が発生した場合などには、燃料電池から供給される電力量は減少しまたは０となる。しかし、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、第２整流素子およびＤＣ／ＤＣコンバータを介して補機に常時供給されている。よって、電力供給源が燃料電池から系統電源に自動的に切り換わるので切換時間（補機に対して電力が供給されない時間）が発生しないため、補機への電力供給は切れ目なく継続することができる。したがって、定常運転中に燃料電池から補機への電力供給に異常が発生した場合でも、補機に対して確実に電力を供給して、システム全体を正常に運転することができる。

また、スイッチは、燃料電池とＤＣ／ＤＣコンバータ（ひいては補機および制御用マイコン）との間を、起動運転時および停止運転時において遮断する。よって、特に起動運転時において燃料電池の残留電圧を使用するのを回避できるため、燃料電池の安全性、長寿命に貢献することができる。
さらに、ＡＣ／ＤＣコンバータは、低待機電力を低待機運転時に出力するためのスタンバイ電源部と、低待機電力より高い補機の駆動に必要な電力を定常運転時に出力するためのメイン電源部と、を備え、定常運転時であって燃料電池が所定発電量以上で発電している場合には、低待機電力を出力する低待機運転で稼働され、一方、定常運転時であって燃料電池が所定発電量未満で発電している場合、起動運転時である場合および停止運転時である場合には、低待機電力より高い電力を出力する定常運転で稼働される。これにより、ＡＣ／ＤＣコンバータを必要に応じて省エネ運転で稼動させることができる。

上記のように構成した請求項２に係る発明においては、請求項１において、第１の電力供給ラインを流れる電流の電流値を測定する電流測定装置をさらに備えている。これにより、ＤＣ／ＤＣコンバータに供給されている電流を計測することで、発電前の補機電流に応じた的確な燃料を投入することができるため、発電開始時の燃料電池電力使用時に燃料供給過多による燃料無駄や不足による電圧低下を抑制することが可能である。

上記のように構成した請求項３に係る発明においては、請求項１または請求項２において、スタンバイ電源部は、スイッチング電源であり、低待機運転時にメイン電源部の電力消費がない場合、スイッチング素子のスイッチング動作を一定期間継続させ、次に一定期間スイッチング動作を停止させるのを繰り返す間欠発振方式で動作されている。

本発明による燃料電池システムの一実施形態の概要を示す概要図である。本発明による燃料電池システムの他の実施形態の電気的な構成を示す構成ブロック図である。本発明による燃料電池システムの他の実施形態の電気的な構成を示す構成ブロック図である。

以下、本発明による燃料電池システムの一実施形態について図面を参照して説明する。図１は燃料電池システムの構成を示す構成ブロック図である。この燃料電池システムは、燃料電池モジュール１１、系統電源１２、電源ライン１３、補機１５、インバータ装置１６、燃料電池システム制御装置（以下、制御装置という。）１７、および貯湯槽２１を含んで構成されている。

燃料電池モジュール１１は、ケーシング１１ａ、蒸発部１１ｂ、改質部１１ｃおよび燃料電池１１ｄを備えている。ケーシング１１ａ内には、蒸発部１１ｂ、改質部１１ｃおよび燃料電池１１ｄが配設されている。このとき、蒸発部１１ｂ、改質部１１ｃが燃料電池１１ｄの上方に位置するように配設されている。

蒸発部１１ｂは、後述する燃焼ガスにより加熱されて、供給された改質水を蒸発させて水蒸気を生成するとともに、供給された改質用原料を予熱するものである。蒸発部１１ｂは、このように生成された水蒸気と予熱された改質用原料を混合して改質部１１ｃに供給するものである。改質用原料としては天然ガス、ＬＰＧなどの改質用気体燃料、灯油、ガソリン、メタノールなどの改質用液体燃料があり、本実施形態においては天然ガスにて説明する。

蒸発部１１ｂには、水タンク（図示省略）からの改質水が改質水ポンプ１５ａによって供給されるとともに、燃料供給源（図示省略）からの改質用原料が原料ポンプ１５ｂによって供給されている。

改質部１１ｃは、後述する燃焼ガスにより加熱されて水蒸気改質反応に必要な熱が供給されることで、蒸発部１１ｂから供給された混合ガス（改質用原料、水蒸気）から改質ガスを生成して導出するものである。改質部１１ｃ内には、触媒（例えば、ＲｕまたはＮｉ系の触媒）が充填されており、混合ガスが触媒によって反応し改質されて水素ガスと一酸化炭素ガスが生成されている（いわゆる水蒸気改質反応）。これと同時に、水蒸気改質反応にて生成された一酸化炭素と水蒸気が反応して水素ガスと二酸化炭素とに変成するいわゆる一酸化炭素シフト反応が生じている。これら生成されたガス（いわゆる改質ガス）は燃料電池１１ｄの燃料極に導出されるようになっている。改質ガスは、水素、一酸化炭素、二酸化炭素、水蒸気、未改質の天然ガス（メタンガス）を含んでいる。なお、水蒸気改質反応は吸熱反応であり、一酸化炭素シフト反応は発熱反応である。

燃料電池１１ｄは、燃料極、空気極（酸化剤極）、および両極の間に介装された電解質からなる複数のセル（図示省略）が積層されて構成されている。本実施の形態の燃料電池は、固体酸化物形燃料電池であり、電解質として固体酸化物の一種である酸化ジルコニウムを使用している。燃料電池１１ｄの燃料極には、燃料として水素、一酸化炭素、メタンガスなどが供給される。動作温度は例えば４００〜１０００℃程度である。セルの燃料極側には、燃料である改質ガスが流通する燃料流路（図示省略）が形成されている。セルの空気極側には、酸化剤ガスである空気（カソードエア）が流通する空気流路（図示省略）が形成されている。空気流路には、カソードエアがカソードエアブロワ１５ｃ（またはカソードエアポンプ）によって供給されている。

燃料電池１１ｄにおいては、燃料極に供給された燃料と空気極に供給された酸化剤ガスによって発電が行われる。すなわち、燃料極では、下記化１および化２に示す反応が生じ、空気極では、下記化３に示す反応が生じている。すなわち、空気極で生成した酸化物イオン（Ｏ^２−）が電解質を透過し、燃料極で水素と反応することにより電気エネルギーを発生させている。したがって、燃料流路および空気流路からは、発電に使用されなかった改質ガスおよび酸化剤ガス（空気）が導出する。
（化１）
Ｈ_２＋Ｏ^２−→Ｈ_２Ｏ＋２ｅ⁻
（化２）
ＣＯ＋Ｏ^２−→ＣＯ_２＋２ｅ⁻
（化３）
１／２Ｏ_２＋２ｅ⁻→Ｏ^２−

そして、燃料流路および空気流路から導出した、発電に使用されなかった改質ガスは、燃料電池１１ｄと蒸発部１１ｂ（改質部１１ｃ）の間の燃焼空間１１ｅにて、発電に使用されなかった酸化剤ガス（空気）によって燃焼され、その燃焼ガスによって蒸発部１１ｂおよび改質部１１ｃが加熱される。さらには、燃料電池モジュール１１内を動作温度に加熱している。その後、燃焼ガスは、ケーシング１１ａの下部に設けられ燃焼排ガスが導出される導出口１１ａ１から燃料電池モジュール１１の外に排気される。

系統電源（または商用電源）１２は、該系統電源１２に接続された電源ライン１３を介して外部負荷１４に電力（交流電力）を供給するものである。燃料電池１１ｄはインバータ装置１６を介して電源ライン１３に接続されている。外部負荷１４は、当該燃料電池システムの外に配設されている電力負荷であり、例えば家庭内に配設されているテレビなどの家電製品である。

電源ライン１３には、系統電源１２に対する電力の入出力および電力量を検知する電力測定装置１３ａが設けられており、その検知結果が制御装置１７に出力されている。

内部負荷の一つである補機１５は、蒸発部１１ｂに改質水、改質用原料を供給するためのモータ駆動の各ポンプ１５ａ，１５ｂおよび電磁式バルブ（図示省略）、燃料電池１１ｄにカソードエアを供給するためのモータ駆動のブロワ１５ｃおよび電磁式バルブ（図示省略）などから構成されている。この補機１５は直流電圧にて駆動されるものであり、その駆動電圧は補機用ＤＣ／ＤＣコンバータ１６ｅから供給されるようになっている。補機１５は、燃料電池１１ｄに燃料（改質用原料）および酸化剤ガス（カソードエア）を供給するためのものであり、燃料電池システムを運転するためのものである。内部負荷は、当該燃料電池システムの内に配設されている電力負荷であり、補機１５、制御装置１７を含んでいる。

インバータ装置１６は、燃料電池１１ｄから出力される直流電圧を所定の交流電圧に変換して系統電源１２に接続されている電源ライン１３に出力する機能と、電源ライン１３からの交流電圧を所定の直流電圧に変換して補機１５および制御装置１７（内部負荷）に出力する機能と、燃料電池１１ｄからの直流電圧を所定の直流電圧に変換して補機１５および制御装置１７に出力する機能と、を有している。

具体的には、インバータ装置１６は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１６ａ、ＤＣ／ＡＣインバータ１６ｂ、ＡＣ／ＤＣコンバータ１６ｃ、制御用ＤＣ／ＤＣコンバータ１６ｄ、および補機用ＤＣ／ＤＣコンバータ１６ｅを含んで構成されている。

ＤＣ／ＤＣコンバータ１６ａは、燃料電池１１ｄから出力される直流電圧（例えば４０Ｖ）を所定の直流電圧（例えば３５０Ｖ）に変換するものである。ＤＣ／ＡＣインバータ１６ｂは、ＤＣ／ＤＣコンバータ１６ａから出力される直流電圧を交流電圧（例えば２００Ｖ）に変換して電源ライン１３に出力するものである。

ＤＣ／ＤＣコンバータ１６ａおよびＤＣ／ＡＣインバータ１６ｂは、第３の電力供給ラインＬ３上に直列に設けられている。第３の電力供給ラインＬ３の一端が第１の電力供給ラインＬ１上であって燃料電池１１ｄと制御用ＤＣ／ＤＣコンバータ１６ｄおよび補機用ＤＣ／ＤＣコンバータ１６ｅとの間の部分に接続され、他端が第２の電力供給ラインＬ２上であって系統電源１２とＡＣ／ＤＣコンバータ１６ｃとの間の部分に接続されている。

ＡＣ／ＤＣコンバータ１６ｃは、電源ライン１３と補機１５との間にＤＣ／ＤＣコンバータ１６ａとＤＣ／ＡＣインバータ１６ｂとからなる回路に並列に設けられるものである。ＡＣ／ＤＣコンバータ１６ｃは、第２の電力供給ラインＬ２上に設けられている。第２の電力供給ラインＬ２の一端は系統電源１２と接続されている電源ライン１３に接続され、他端は第１の電力供給ラインＬ１上であって燃料電池１１ｄと制御用ＤＣ／ＤＣコンバータ１６ｄおよび補機用ＤＣ／ＤＣコンバータ１６ｅとの間の部分とに接続されている。

ＡＣ／ＤＣコンバータ１６ｃは、起動運転時および停止運転時だけでなく定常運転時においても、系統電源１２から出力される交流電力（交流電圧）を入力し直流電力（直流電圧）に変換して制御用ＤＣ／ＤＣコンバータ１６ｄおよび補機用ＤＣ／ＤＣコンバータ１６ｅに出力する。

ＡＣ／ＤＣコンバータ１６ｃは、定常運転時であって燃料電池１１ｄが所定発電量以上で発電している場合には、低待機電力を出力する低待機運転で稼働される。例えば、燃料電池１１ｄの出力電圧が５０Ｖ以上である場合には、ＡＣ／ＤＣコンバータ１６ｃは低待機運転で稼動される。このとき、出力電流が所定電流値（例えば補機駆動電力に必要な最低発電量５０Ｗ）である。

一方、ＡＣ／ＤＣコンバータ１６ｃは、定常運転時であって燃料電池１１ｄが所定発電量未満で発電している場合、起動運転時である場合および停止運転時である場合には、低待機電力より高い補機１５の駆動に必要な電力を出力する定常運転で稼働される。例えば、燃料電池１１ｄの出力電圧が５０Ｖ未満である場合には、ＡＣ／ＤＣコンバータ１６ｃは定常運転で稼動される。

具体的には、ＡＣ／ＤＣコンバータ１６ｃは、絶縁型のＡＣ／ＤＣコンバータであり、例えばトランスを含んで構成されている。ＡＣ／ＤＣコンバータ１６ｃは、低待機電力を待機運転時に出力するためのスタンバイ電源部と、低待機電力より高い補機１５の駆動に必要な電力を必要なときに（定常運転時に）出力するためのメイン電源部と、を備えている。なお、スタンバイ電源部はスイッチング電源であるので、待機運転時にメイン電源の電力消費がない場合、スイッチング素子のスイッチング動作を一定期間継続させ、次に一定期間スイッチング動作を停止させるのを繰り返す間欠（バースト）発振方式で動作されている。

また、ＡＣ／ＤＣコンバータ１６ｃは、システム運転中だけでなく、システム停止中すなわち待機時においても、系統電源１２から出力される交流電力（交流電圧）を入力し直流電力（直流電圧）に変換して制御用ＤＣ／ＤＣコンバータ１６ｄおよび補機用ＤＣ／ＤＣコンバータ１６ｅに出力する。このとき、ＡＣ／ＤＣコンバータ１６ｃは、低待機電力を出力する低待機運転で稼働される。

制御用ＤＣ／ＤＣコンバータ１６ｄは、燃料電池１１ｄまたはＡＣ／ＤＣコンバータ１６ｃからの直流電圧（直流電力）を入力して所定の直流電圧（直流電力、例えば５Ｖ）に変換して、制御装置１７に電源電圧として供給するものである。

補機用ＤＣ／ＤＣコンバータ１６ｅは、燃料電池１１ｄまたはＡＣ／ＤＣコンバータ１６ｃからの直流電圧（直流電力）を入力して所定の直流電圧（直流電力、例えば２４Ｖ）に変換して、補機１５に電源電圧として供給するものである。補機用ＤＣ／ＤＣコンバータ１６ｅは、制御装置１７に接続されており、制御装置１７からの指令により駆動・停止を制御されるようになっている。例えば、待機時において制御装置１７からの停止指令により補機用ＤＣ／ＤＣコンバータ１６ｅは運転が停止される。これにより、待機時に補機用ＤＣ／ＤＣコンバータ１６ｅを停止させることで、待機電力を小さく抑制することができる。

制御用ＤＣ／ＤＣコンバータ１６ｄおよび補機用ＤＣ／ＤＣコンバータ１６ｅは、第１の電力供給ラインＬ１上に設けられている。第１の電力供給ラインＬ１の一端は燃料電池１１ｄに接続され、他端は制御装置１７および補機１５に接続されている。他端側は２つに分かれており、各分岐に制御用ＤＣ／ＤＣコンバータ１６ｄおよび補機用ＤＣ／ＤＣコンバータ１６ｅが設けられている。第１の電力供給ラインＬ１は、燃料電池１１ｄから出力される直流電力を補機１５および制御装置１７に供給するものである。

第１の電力供給ラインＬ１上には、第１整流素子１６ｆが第２の電力供給ラインＬ２との合流点より燃料電池１１ｄ側に設けられている。具体的には、第１整流素子１６ｆは、第２の電力供給ラインＬ２との合流点と第３の電力供給ラインＬ３との合流点との間の部分に設けられている。第１整流素子１６ｆは、燃料電池１１ｄから制御用ＤＣ／ＤＣコンバータ１６ｄおよび補機用ＤＣ／ＤＣコンバータ１６ｅに向けて流れる電流のみを許容する。本実施形態では、第１整流素子は例えばダイオードで構成されている。

第２の電力供給ラインＬ２上には、第２整流素子１６ｇが設けられている。具体的には、第２整流素子１６ｇは、ＡＣ／ＤＣコンバータ１６ｃと第１の電力供給ラインＬ１との合流点との間の部分に設けられている。第２整流素子１６ｇは、ＡＣ／ＤＣコンバータ１６ｃから第１の電力供給ラインＬ１に向けて流れる電流のみを許容する。

また、第１の電力供給ラインＬ１上には、第１スイッチ１６ｈが第２の電力供給ラインＬ２との合流点より燃料電池１１ｄ側に設けられている。第１スイッチ１６ｈは、制御装置１７の指示によって、燃料電池１１ｄと制御用ＤＣ／ＤＣコンバータ１６ｄおよび補機用ＤＣ／ＤＣコンバータ１６ｅとの間を、起動運転時および停止運転時において遮断し、定常運転時において連通するスイッチである。

第２スイッチ１６ｉは、ＤＣ／ＡＣインバータ１６ｂと系統電源１２（または電源ライン１３）との間に配設されている。具体的には、第２スイッチ１６ｉは、第３の電力供給ラインＬ３上であってＤＣ／ＡＣインバータ１６ｂと第２の電力供給ラインとの合流点との間の部分に設けられている。ＤＣ／ＡＣインバータ１６ｂと系統電源１２とを制御装置１７の指示によって連通・遮断するものである。制御装置１７は、系統電源１２が停電状態であると判定すると、第２スイッチ１６ｉを開状態に切り換え、系統電源１２が停電状態でない場合には第２スイッチ１６ｉを閉状態に切り換える。

第１の電力供給ラインＬ１上には、電流測定装置１６ｊと電流測定装置１６ｋが設けられている。電流測定装置１６ｊと電流測定装置１６ｋは、何れも第１の電力供給ラインＬ１を流れる電流の電流値を測定する電流測定装置である。

具体的には、電流測定装置１６ｊは、燃料電池１１ｄから出力される電流（出力電流）を測定するものであり、その測定結果を制御装置１７に送信するようになっている。電流測定装置１６ｊは、測定用の抵抗を備えており、その抵抗の電圧を測定することにより電流を測定するように構成されている。

また、電流測定装置１６ｋは、制御用ＤＣ／ＤＣコンバータ１６ｄおよび補機用ＤＣ／ＤＣコンバータ１６ｅに入力する電流（入力電流）を測定するものであり、その測定結果を制御装置１７に送信するようになっている。電流測定装置１６ｋは、測定用の抵抗を備えており、その抵抗の電圧を測定することにより電流を測定するように構成されている。

さらに、燃料電池システムは、独自のブレーカ１８を備えている。ブレーカ１８は、電源ライン１３とインバータ装置１６とを接続する電源ラインに設けられている。ブレーカ１８は、ある量以上の電力を使ったり、異常電流が流れたりすると、回路を自動的に遮断して、ブレーカ１８からシステム内部側に電力が供給されるのを禁止する。

制御装置１７は、燃料電池システムの全体的な制御を一括集中して行うものであり、補機１５の駆動を制御したり、インバータ装置１６の駆動を制御したりする。制御装置１７はマイクロコンピュータ（図示省略）を有しており、マイクロコンピュータは、バスを介してそれぞれ接続された入出力インターフェース、ＣＰＵ、ＲＡＭおよびＲＯＭ（いずれも図示省略）を備えている。ＣＰＵは、燃料電池システムの運転を実施している。ＲＡＭは同プログラムの実行に必要な変数を一時的に記憶するものであり、ＲＯＭは前記プログラムを記憶するものである。制御装置１７は、補機１５を制御する制御用マイコン（制御用マイクロコンピュータ）である。

制御装置１７には、待機時でも運転時（起動運転時、定常運転時（発電運転時）および停止運転時を含む）でも常に電圧が供給されている。起動運転時は起動指令が出てから発電開始するまでの間であり、停止制御時は、停止指令が出てからシステムが停止するまでの間である。待機時は、燃料電池システムの発電停止状態のことであり、発電指示（スタートスイッチのオンなど）を待っている状態のことである。

貯湯槽２１は、燃料電池１１ｄの排熱によって加熱された貯湯水を貯めておくものである。貯湯槽２１と燃料電池１１ｄとの間には熱媒体循環路２１ａが設けられており、熱媒体循環路２１ａは燃料電池１１ｄの排熱を回収した熱媒体が図示しないポンプにより循環するものである。熱媒体と熱交換することにより貯湯槽２１の貯湯水が加熱される。

このように構成された燃料電池システムの作動について説明する。燃料電池システムの発電準備時（起動運転時）には、燃料電池１１ｄは暖機中であるため発電していないので、系統電源１２から燃料電池システムに電力が供給される。すなわち、ＤＣ／ＡＣインバータ１６ｂおよびＤＣ／ＤＣコンバータ１６ａの駆動が、制御装置１７の指令によって停止される。また、第１スイッチ１６ｈおよび第２スイッチ１６ｉは、制御装置１７の指令によって遮断状態（開状態）にされる。また、ＡＣ／ＤＣコンバータ１６ｃは、定常運転されている。これにより、系統電源１２からの交流電圧がＡＣ／ＤＣコンバータ１６ｃで直流電圧に変換される。その直流電圧が制御用ＤＣ／ＤＣコンバータ１６ｄで降圧されて制御装置１７に供給される（供給は待機時から継続されることとなる）とともに、補機用ＤＣ／ＤＣコンバータ１６ｅで降圧されて補機１５に供給される。また、第１スイッチ１６ｈは遮断状態であるので、燃料電池１１ｄからの突入電流を防止することができる。

燃料電池システムの発電運転時には、ＤＣ／ＤＣコンバータ１６ａおよびＤＣ／ＡＣインバータ１６ｂが、制御装置１７の指令によって駆動される。また、第２スイッチ１６ｉは、制御装置１７の指令によって連通状態（閉状態）にされる。これにより、燃料電池１１ｄからの電力が、ＤＣ／ＤＣコンバータ１６ａおよびＤＣ／ＡＣインバータ１６ｂを経て外部負荷１４に供給される。

また、第１スイッチ１６ｈは、連通状態（閉状態）が維持されている。このとき、燃料電池１１ｄの出力電圧が５０Ｖ以上である場合には、ＡＣ／ＤＣコンバータ１６ｃは低待機運転で稼動される。これにより、燃料電池１１ｄからの電力が、制御用ＤＣ／ＤＣコンバータ１６ｄおよび補機用ＤＣ／ＤＣコンバータ１６ｅにひいては制御装置１７および補機１５に供給される。

一方、燃料電池１１ｄの出力電圧が５０Ｖ未満である場合には、ＡＣ／ＤＣコンバータ１６ｃは定常運転で稼動される。これにより、燃料電池１１ｄからの電力は供給されているが、燃料電池１１ｄからの電力より電圧の高いＡＣ／ＤＣコンバータ１６ｃからの電力が、制御用ＤＣ／ＤＣコンバータ１６ｄおよび補機用ＤＣ／ＤＣコンバータ１６ｅにひいては制御装置１７および補機１５に供給される。

また、定常運転中においては、特に起動運転から定常運転に切り換える際において、電流測定装置１６ｋにより容易に正確な電流値が把握でき、電流値に見合った燃料投入での発電開始を行うことができる。よって、燃料電池１１ｄの発電電圧がＡＣ／ＤＣコンバータ１６ｃの出力電圧を超えた時点において、燃料電池１１ｄから電力供給源が切替えとなっても、補機１５および制御装置１７に必要な電流値に応じた燃料が投入されるように制御される。よって、燃料不足による燃料電池１１ｄが電圧低下を招くことなく、燃料電池１１ｄの電力を供給し続けることが可能である。

このような定常運転中に、燃料電池１１ｄから補機１５への電力供給に異常が発生した場合などには、燃料電池１１ｄから供給される電力量は減少しまたは０となる。しかし、系統電源１２からの交流電力がＡＣ／ＤＣコンバータ１６ｃで直流電力に変換され、第２整流素子１６ｇおよび補機用ＤＣ／ＤＣコンバータ１６ｅを介して補機１５に供給される。また、ＡＣ／ＤＣコンバータ１６ｃで変換された直流は、制御用ＤＣ／ＤＣコンバータ１６ｄを介して制御装置１７にも常時供給されている。このように、燃料電池１１ｄから補機用ＤＣ／ＤＣコンバータ１６ｅへの電力供給の継続が困難となった場合には、供給源がＡＣ／ＤＣコンバータ１６ｃに自動的に切り替わり、補機１５や制御装置１７の電源電圧が低下することを抑制することができる。これにより、システム運転を突然止めることなく、停止運転制御に移行することができる。

また、前述した異常検出時に、第１スイッチ１６ｈを遮断状態（開状態）にすることで残電圧上昇があっても燃料電池１１ｄからの電力供給がされることなく、停止運転時において燃料電池１１ｄを安全に冷却することができる。

上述した説明から明らかなように、本実施形態においては、燃料電池システムにおいて、定常運転中（発電中）において、燃料電池１１ｄと制御用ＤＣ／ＤＣコンバータ１６ｄおよび補機用ＤＣ／ＤＣコンバータ１６ｅ（両コンバータによりＤＣ／ＤＣコンバータが構成される）との間は第１スイッチ１６ｈを介して連通している。よって、燃料電池１１ｄから出力される直流電力は、第１の電力供給ラインＬ１に設けられた第１整流素子１６ｆを介して制御用ＤＣ／ＤＣコンバータ１６ｄおよび補機用ＤＣ／ＤＣコンバータ１６ｅに供給されている。一方、ＡＣ／ＤＣコンバータ１６ｃは、起動運転時および停止運転時だけでなく定常運転時においても、系統電源１２から出力される交流電力を入力し直流電力に変換して制御用ＤＣ／ＤＣコンバータ１６ｄおよび補機用ＤＣ／ＤＣコンバータ１６ｅに出力する。このＡＣ／ＤＣコンバータ１６ｃから出力される直流電力は、第２の電力供給ラインＬ２に設けられた第２整流素子１６ｇを介して制御用ＤＣ／ＤＣコンバータ１６ｄおよび補機用ＤＣ／ＤＣコンバータ１６ｅに供給されている。

このように構成された燃料電池システムにおいて、定常運転中に燃料電池１１ｄから補機１５への電力供給に異常が発生した場合などには、燃料電池１１ｄから供給される電力量は減少しまたは０となる。しかし、系統電源１２からの交流電力がＡＣ／ＤＣコンバータ１６ｃで直流電力に変換され、第２整流素子１６ｇおよび制御用ＤＣ／ＤＣコンバータ１６ｄおよび補機用ＤＣ／ＤＣコンバータ１６ｅを介して補機１５に常時供給されている。よって、電力供給源が燃料電池１１ｄから系統電源１２に自動的に切り換わるので切換時間（補機１５に対して電力が供給されない時間）が発生しないため、補機１５への電力供給は切れ目なく継続することができる。したがって、定常運転中に燃料電池１１ｄから補機１５への電力供給に異常が発生した場合でも、補機１５に対して確実に電力を供給して、システム全体を正常に運転することができる。

また、第１スイッチ１６ｈは、燃料電池１１ｄと制御用ＤＣ／ＤＣコンバータ１６ｄおよび補機用ＤＣ／ＤＣコンバータ１６ｅ（ひいては補機１５および制御装置１７（制御用マイコン））との間を、起動運転時および停止運転時において遮断する。よって、特に起動運転時において燃料電池１１ｄの残留電圧を使用するのを回避できるため、燃料電池１１ｄの安全性、長寿命に貢献することができる。

また、第１の電力供給ラインＬ１を流れる電流の電流値を測定する電流測定装置１６ｋまたは１６ｊをさらに備えている。これにより、制御用ＤＣ／ＤＣコンバータ１６ｄおよび補機用ＤＣ／ＤＣコンバータ１６ｅに供給されている電流を計測することで、発電前の補機電流に応じた的確な燃料を投入することができるため、発電開始時の燃料電池電力使用時に燃料供給過多による燃料無駄や不足による電圧低下を抑制することが可能である。

また、ＡＣ／ＤＣコンバータ１６ｃは、定常運転時であって燃料電池１１ｄが所定発電量以上で発電している場合には、低待機電力を出力する低待機運転で稼働され、一方、定常運転時であって燃料電池１１ｄが所定発電量未満で発電している場合、起動運転時である場合および停止運転時である場合には、低待機電力より高い電力を出力する定常運転で稼働される。これにより、ＡＣ／ＤＣコンバータ１６ｃを必要に応じて省エネ運転で稼動させることができる。

なお、上述した実施形態においては、２つの制御用ＤＣ／ＤＣコンバータ１６ｄおよび補機用ＤＣ／ＤＣコンバータ１６ｅを１つのＤＣ／ＤＣコンバータである補機／制御用ＤＣ／ＤＣコンバータ１６ｍに置き換えるようにしてもよい。

具体的には、図２に示すように、補機／制御用ＤＣ／ＤＣコンバータ１６ｍは、補機１５および制御装置１７にそれぞれ電力を供給するようになっている。補機／制御用ＤＣ／ＤＣコンバータ１６ｍと補機１５との間には、補機／制御用ＤＣ／ＤＣコンバータ１６ｍと補機１５とを制御装置１７の指示によって連通・遮断する第３スイッチ１６ｎが設けられている。第３スイッチ１６ｎは、待機時に遮断され、運転時に連通される。

また、上述した実施形態においては、燃料電池は固体酸化物形燃料電池であったが、本発明を高分子電解質形燃料電池に適用するようにしてもよい。具体的には、図３に示すように、燃料電池１１ｇ、系統電源１２、電源ライン１３、補機１５、インバータ装置１６、制御装置１７、貯湯槽２１、改質器３１、から構成されている。

燃料電池１１ｇは、燃料ガス（水素ガス）および酸化剤ガス（酸素を含む空気）が供給されて水素と酸素の化学反応により発電して直流電圧（例えば４０Ｖ）を出力するものである。燃料電池１１ｇの最大出力電力は１０００Ｗであり、最低出力電力は３００Ｗである。

改質器３１は、燃料（改質用燃料）を水蒸気改質し、水素リッチな改質ガスを燃料電池１１ｇに供給するものであり、バーナ（燃焼部）、改質部、一酸化炭素シフト反応部（以下、ＣＯシフト部という）および一酸化炭素選択酸化反応部（以下、ＣＯ選択酸化部という）から構成されている。燃料としては天然ガス、ＬＰＧ、灯油、ガソリン、メタノールなどがある。

バーナは、起動運転時に外部から燃焼用燃料および燃焼用空気が供給され、または定常運転時に燃料電池１１ｇの燃料極からアノードオフガス（燃料電池に供給され使用されずに排出された改質ガス）が供給され、供給された各可燃性ガスを燃焼して燃焼ガスを改質部に導出するものである。

改質部は、外部から供給された燃料に蒸発器からの水蒸気（改質水）を混合した混合ガスを改質部に充填された触媒により改質して水素ガスと一酸化炭素ガスを生成している（いわゆる水蒸気改質反応）。これと同時に、水蒸気改質反応にて生成された一酸化炭素と水蒸気を水素ガスと二酸化炭素とに変成している（いわゆる一酸化炭素シフト反応）。これら生成されたガス（いわゆる改質ガス）はＣＯシフト部に導出される。

ＣＯシフト部は、この改質ガスに含まれる一酸化炭素と水蒸気をその内部に充填された触媒により反応させて水素ガスと二酸化炭素ガスとに変成している。これにより、改質ガスは一酸化炭素濃度が低減されてＣＯ選択酸化部に導出される。

ＣＯ選択酸化部は、改質ガスに残留している一酸化炭素と外部からさらに供給されたＣＯ浄化用の空気とをその内部に充填された触媒により反応させて二酸化炭素を生成している。これにより、改質ガスは一酸化炭素濃度がさらに低減されて（１０ｐｐｍ以下）燃料電池１１ｇの燃料極に導出される。

改質器３１に供給される燃料（改質用燃料）、改質水（水）および空気（ＣＯ浄化用）は、それぞれ燃料ポンプ１４ｂ、改質水ポンプ１６ａおよび空気ポンプ１６ｃによって供給されており、その供給量は制御装置１７の指令に基づいて制御されている。燃料ポンプ１４ｂ、改質水ポンプ１６ａおよび空気ポンプ１６ｃの供給量を制御することにより、改質器３１から供給される改質ガス（燃料ガス）の供給量は調整することができる。

上述した改質器３１、燃料ポンプ１４ｂ、改質水ポンプ１６ａおよび空気ポンプ１６ｃから燃料ガス供給装置３０が構成されている。なお、燃料ガス供給装置３０は、水素ガスボンベ（水素ガスタンク、水素ガス供給管）と水素ガスボンベからの供給量を調整する調整弁とから構成するようにしてもよい。

１１…燃料電池モジュール、１１ａ…ケーシング、１１ｂ…蒸発部、１１ｃ…改質部、１１ｄ…燃料電池、１２…系統電源、１３…電源ライン、１４…電力負荷、１５…補機、１６…インバータ装置、１６ａ…ＤＣ／ＤＣコンバータ、１６ｂ…ＤＣ／ＡＣインバータ、１６ｃ…ＡＣ／ＤＣコンバータ、１６ｄ…制御用ＤＣ／ＤＣコンバータ、１６ｅ…補機用ＤＣ／ＤＣコンバータ、１６ｈ…第１スイッチ（スイッチ）、１６ｋ…電流測定装置、１７…制御装置。

Claims

燃料と酸化剤ガスとにより発電する燃料電池と、
前記燃料電池に前記燃料および前記酸化剤ガスを供給するための補機と、
前記補機を制御する制御用マイコンと、
前記燃料電池から出力される直流電力を前記補機および前記制御用マイコンに供給する第１の電力供給ラインと、
前記第１の電力供給ライン上に設けられ、前記燃料電池から出力される直流電力を入力し所定の直流電力に変換して前記補機および前記制御用マイコンに出力するＤＣ／ＤＣコンバータと、
交流の系統電源と、
前記系統電源と前記第１の電力供給ライン上であって前記燃料電池と前記ＤＣ／ＤＣコンバータとの間の部分とを接続している第２の電力供給ラインと、
起動運転時および停止運転時だけでなく定常運転時においても、前記系統電源から出力される交流電力を入力し直流電力に変換して前記ＤＣ／ＤＣコンバータに出力するＡＣ／ＤＣコンバータと、
前記第１の電力供給ライン上であって前記第２の電力供給ラインとの合流点より前記燃料電池側に設けられ、前記燃料電池から前記ＤＣ／ＤＣコンバータに向けて流れる電流のみを許容する第１整流素子と、
前記第２の電力供給ライン上に設けられ、前記ＡＣ／ＤＣコンバータから前記第１の電力供給ラインに向けて流れる電流のみを許容する第２整流素子と、
前記第１の電力供給ライン上であって前記第２の電力供給ラインとの合流点より前記燃料電池側に設けられ、前記燃料電池と前記ＤＣ／ＤＣコンバータとの間を、前記起動運転時および前記停止運転時において遮断し、前記定常運転時において連通するスイッチと、
を備え、
前記ＡＣ／ＤＣコンバータは、低待機電力を低待機運転時に出力するためのスタンバイ電源部と、前記低待機電力より高い前記補機の駆動に必要な電力を前記定常運転時に出力するためのメイン電源部と、を備え、前記定常運転時であって前記燃料電池が所定発電量以上で発電している場合には、前記低待機電力を出力する低待機運転で稼働され、一方、前記定常運転時であって前記燃料電池が所定発電量未満で発電している場合、前記起動運転時である場合および前記停止運転時である場合には、前記低待機電力より高い前記補機の駆動に必要な電力を出力する定常運転で稼働される燃料電池システム。
請求項１において、前記第１の電力供給ラインを流れる電流の電流値を測定する電流測定装置をさらに備えた燃料電池システム。
請求項１または請求項２において、前記スタンバイ電源部は、スイッチング電源であり、前記低待機運転時に前記メイン電源部の電力消費がない場合、スイッチング素子のスイッチング動作を一定期間継続させ、次に一定期間スイッチング動作を停止させるのを繰り返す間欠発振方式で動作されている燃料電池システム。