JPH03118734A - 燃料電池発電システムのバックアップ制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、燃料電池とバックアップ整流電源とを並列
接続して複数のインバータ負荷に直流電力を供給する燃
料電池発電システムのバックアップ制御装置に関する。

〔従来の技術〕

燃料電池はメタン系またはアルコール系の原燃料を水蒸
気改質して得られる水素リッチな燃料ガスと反応空気と
を燃料電池に送って電気化学的発電反応によって直流電
力を発生ずるものであり、燃料電池で使い残された燃料
ガス中の水素はオフガスとして改質器のバーナに送られ
、その燃料熱が吸熱反応である水蒸気改質反応の反応熱
と１７で利用される。燃料電池で消費される水素量が入
口側燃料ガス中の水素量に占める割合を燃料消費率とよ
び、燃料電池の発電運転は燃料消費率を７０％ないし８
０％程度の所定レベルに保持して行うのが一般的である
。

また上述のように１．て運転される燃料電池の出力特性
を表わす電圧■）−電流（１）特性は、塩ｎ電池の内部
抵抗によって電流の増加に伴なって電圧が低下する特性
を示す。さらに、負荷が要求する電流が急増した場合、
化学プラントである改質器の反応の遅れなどによって燃
料電池に燃料ガス不足が生じ、負荷が要求する電流を出
力できないばかりか出力電圧が急降下する特性を示す。

したがって、燃料電池だけでは負荷に供給する電圧およ
び電流の変動が大きすぎるので、バックアップ電源を燃
料電池に並列接続し、その出力電力をインバータを用い
て交流電力に変換ｊ７て負荷に供給する燃料電池発電シ
ステムが知られている（例えば特開昭５９　２３０４３
４号公報参照）。

第５図は、従来の燃料電池発電システムとその安定化装
置禿示ずブロック図、第６図は安定化装置の原理を説明
するための燃料電池のＶ−Ｉ特性線図である。図におい
て、燃料電ｉ＄、ＩＡの出力側と、三相受滓、電源３Ａ
の交流電力をサイリスタ整流器３Ｃで直流変換して出力
するバックアップ電源３３の出力側とは、ダイオードＤ
＋、Ｄｉを介して並列接続され、チョッパ３４．インバ
ータ３５からなる直流交流変換器３２によって交流電力
に変換され、負荷回路３４が要求する負荷電流に対して
その出力電圧が、交流型ｆｉ３Ａと同等な通常の変動範
囲になるよう制御装置３６によって制御される、 一方、安定化装置３０はチッッパ３５の入力電流の検出
器４２の検出電流をＡ／Ｄ変換器を介ｊ７て受けるＲＯ
Ｍ３Ｂと、ＲＯＭ３Ｂの出力信号をサイリスタ整流器３
Ｃの出力電圧を検出する電圧検出器４１の検出電圧とを
対照する誤差増幅器３９とで構成される。

ＲＯＭ３１Ｎ！第６図ニ示すように、燃ｆ４電池（ＦＣ
）ＩＡのＶ−１特性曲線１００より僅かに低い曲線２０
０を任意関数データとして記憶しており、電流検出１４
２の検出電流が曲線２００を上形る状態では誤差増ｌＩ
器３９の出力は負になり、位相多制御！１３７によって
サイリスタ整流器３Ｃの各ザイリスタの位相角が絞られ
ることにより、ダイオードＤ、は不導通となり、燃料電
池ＩＡの出力電流により交流負荷回路３４への電力がま
かなわれる。ここで、負荷電流が増加すると、燃料電池
ＩＡの出力電圧が曲線２００以下に低下するので、誤差
増幅器３９および位相角制御器３７を介してサイリスタ
整流器３ｃは点弧され、ダイオードＤわが導通状態とな
ってバックアップ電圧■、がチ理ツバ３４に印加され、
バックアップ電源側からのバックアップが行われる。し
たがって、従来の装置において負荷の増大時には、バッ
クアップ電源３３の出力電圧、いいがえれば交流系統３
Ａ０）電圧を下限値とし、燃料電池の出力ｉｉｉ流によ
って電圧変動幅が変化する制′４社が行われる。そこで
、この電圧変動幅を直交変換器３２の入力電圧許容範囲
内に設定することにより、交流負荷回路３４偏に電圧が
安定した交流電力が供給することができる。

（発明が解決しようとする課題） 近年インテリジェント化したオフィスビルが増加してお
り、コンビｊ、−夕等がそれぞれ専用のインバータを備
えているケースが多くなっている。

したがって、従来の交流出力方式の燃料電池発電システ
ムを用いて複数のインバータ負荷に交流電力を供給した
場合には、複数のインバータ負荷それぞれの入口側に整
流装置を設けて交流電力を直流電力に変換する必要があ
り、多数の整流装置を設けることにより経済的不利益が
発生ずる。そこで、燃料電池発電システムを直流出力と
することにより、インバータ負荷側の整流装置を省略し
た装置の開発が求めらている。

この発明の目的は、簡素化された燃料電池発電システム
によってガス不足を生ずることな（電圧変動の少い直流
電力を安定して供給できる。バックアップ制御装置を得
ることにある。

〔課図を解決するための手段〕

」−記課題を解決するために、この発明によれば、直流
−直流変換器を介して出力される燃料電池の出力と、交
流電力をダイオード整流器により整流して出力するバッ
クアップ電源の出力とを並列にして複数のインバータ負
荷に直流電力として供給するものであって、前記直流〜
直流変換器出力側の電圧を前記バックアップｉｔ源の定
常出力電圧より僅かに高い電圧設定値と照合してその差
に基づいて信号を発する比例積分調節器からなり、前記
燃料電池の燃料ガス消費率によって決まるリミッＩ−電
流信号によって出力信号が所定レベルに規制される電圧
調節器と、この電圧調節器の出力信号を電流設定信号と
して前記燃料電池の出力電流との比較により電流制御信
号を前記直流−直流変換器に向けて出力する電流制御部
とを備え、前記所定レベルを起えたとき不足する負荷電
流を前記バックアップ電源から補給するものとし、必要
に応じて電圧覗節器の電圧設定値がバックアップ電源の
定常出力より僅かに低い電圧値に設定されるとともに、
バックアップ電源の出力電力を零レベルに近い電力設定
信号と比較して信号を発する自動電力調節器により前記
自動電圧調節器かりミツト電流（を号によって規制され
る所定レベルの信号を常時発するよう形成されてなるも
のとする。

〔作用〕

上記：手段において、自動電圧調節器の電圧設定値をバ
ックアップ電源の出力電圧より僅かに高い電圧値に設定
しこれに基づいて燃ｒ４を池を直流−直流変換器（以下
ＤＣ／ＤＣ変換器２＝よぶ）により定電圧制御するよう
構成（−たことにより、定常運転時にはバックアップ電
源の出力側に逆電圧が加わって停止状態となり、インバ
ータ負荷には燃料Ｔ４池が所定の燃料消費率を保持し２
て定電圧制御された直流電力を供給する。また、自動電
圧調節器に燃料電池の燃料消費率とＶ−１特性とによっ
て決まるリミット機能を持たせたことにより、負荷の急
増時にも燃料１を池Ｕ：燃料不足を生ずることなくＶ−
１特性に基づいて決まる電流を出力するとともに、ＤＣ
／ＤＣ変換器の出力電圧が低下してバックアップ電源に
加わる逆電圧が排除されるので、不足する電力をバック
アップ電源側から供給できると同時に、バックアップ電
源の整流装置を制御機能を持たないダイオード整流器と
して装置の構成を簡単化することができる。

一方、自動電圧ｍ節器の電圧設定値をバックアップを源
の出力電圧より僅かに低い電圧に設定し、かつバックア
ップ電源の出力電力を零！ノベル設定信号と比較して信
号を発する自動電圧調節器により自動電圧調節器を刺着
すれば、ダイオード整流器は常時通流状態となって微小
な電流を燃料電池の出力電流とともにインバータ負荷に
供給するとともに、負荷の急増に対応して電圧変化を伴
うことなくバックアップ電源の出力電流が増加するので
、交流系統の電圧変動の範囲内に電圧が安定した直流電
力をインバータ負荷にｆハ給することができるや 〔実施例〕 以下この発明を実施例に基づいて説明する。

第１図はこの発明の実施例になる燃料電池発電システム
のバックアップ制御装置を示すブロック図、第２図は実
施例になる装置の動作を示ずＶ−■特性線図、第３図は
実施例になる装置の出方電圧特性線図である。第１図に
おいて、燃料電池発電装置１は燃ＩＩ４を池１Ａの出力
側にＤ　Ｃ／Ｄ　Ｃ変換器２を備え、バックアップ電源
３に設けられたダイオード整流器３Ｂの直流出力側がＤ
　Ｃ／Ｄ　Ｃ変換器２の出力側に並列接続されてインバ
ータ負荷４に出力電圧■。、負荷電流Ｉ、なる直流電力
が供給される。

一方、ＤＯ／ＤＣ変換器２の制御回路は比例積分調節器
として構成される自動電圧調節器Ｇと、これと同様に構
成される自動電流調節器７Ａおよびパルス幅変調された
制御パルスの発生器７Ｂからなる電流制御部７とで構成
される。自動電圧調節器６は電圧検出器９ｖによって検
出された燃料電池発電システムの直流出力電圧Ｖ。をこ
れより僅かに高い電圧に設定された電圧設定器８の電圧
設定値８、と比較し、両者の差に相応した信号６５を電
流設定値として出力するものであり、出力信号６ｓは燃
料電池ＩＡにおける燃料消費率と第２図に示す燃料電池
のＶ−１特性曲線に基づいて燃料電池発電装置ｌの制御
部ＩＢが発する。リミット電流信号１゜により所定レベ
ル以下に規制される。また、自動電流調節器７Ａは電流
検出器９■で検出された燃料電池ＩＡの出力電流！、の
検出値９Ｄを電流設定値６゜と比較してその差に相応し
た信号を出力する。これを受けた制御パルス発生器７Ｂ
は信号をパルス幅変調した制御パルス７Ｓに変換してＤ
　Ｃ７０Ｃ変換器２に向けて出力することにより、燃料
電池ＩＡの出力電流！、とバックアップ電源３の出力電
流！。

の制御が行われる。

上述のように構成された装置において、燃料電池ＬＡは
電流ＩＦを出力するに十分な量の燃料ガスが供給された
状態では第２図に曲線１００で示すＶ−■特性を示すが
、燃料ガスの供給量を減らすに従って点ｐ＋、ｐｇ、ｐ
ｓで分岐する曲線１０１，１０２．および１０３で示す
出力電圧ｖｒｃの垂下特性を示す、したがって、燃料電
池発電装置１は負荷が要求する電流Ｉ２の大きさに見合
う燃料ガス量を改質装置が供給し、燃料消費率が７０％
から８０％程度に収まるよう制御部ＩＢによって制御さ
れるとともに、制御部１Ｂからは燃料消費率を上記範囲
内の所定レベルに保持するに必要な出力電流１．のリミ
ット電流信号１　ｈ■を自動電圧調節器６に向けて出力
する。

上述のような状態において、自動電圧調節器６の電圧設
定値８．が第２図に示すようにバックアップ電源３の出
力電圧ｖ鯵より僅かに高い電圧Ｖ＄に設定され、かつ制
御部ＩＢが曲線１００上のポイン）Ｐｓに相応する信号
を出力していると仮定する。

インバータ負荷が要求する電流■、がポイントＰｓに相
応する電流ＩＦＩを超えない範囲では、燃料電池の出力
電圧ｖｒｃは電圧設定値ｖｓより高いＶＯＩ以上となる
ので、Ｄ　Ｃ７０Ｃ変換器２は電圧ｍ節器６によって出
力電圧ｖｏを電圧設定値Ｖ、に近づけるよう定電圧制御
すると同時に、バックアップ電源３にはその出力電圧■
婁を超える電圧ｖ０ζｖ３が逆電圧として印加されるの
でオフ状態となる。したがって、インバータ負荷４には
燃料電池ＩＡ側から負荷電流が供給され、その出力電圧
■。

は第３図に示すようにほぼＶ！一定に保持される。

一方、インバータ負荷４がＩ　Ｆｍを超える電流の急増
を要求したと仮定すると、電圧調節器６はリミット電流
信号１ｈｍによってその出力信号６ｓがポイントＰ、に
相応する制限値に規制されるので、信号６Ｓを電流設定
信号とする自動電流調節器によりＤ　Ｃ７０Ｃ変換器２
の入力電流はｒｙｓに定電流制御される。その結果、Ｄ
　Ｃ７０Ｃ変換器２の出力電圧ｖｏは低下し、バックア
ップ電源に印加される逆電圧がなくなるので、ダイオー
ド整ｆｆｌ器３Ｂはオン状態となり、不足する負荷電流
がバックアップ電源３から供給される。また第３図に示
すように、バックアップ電１［３がオンする時点ｔｌ　
で出力電圧■。はバックアップ電源の出力電圧ｖ１と等
しい値にまで低下する。すなわち、負荷電流■、の急増
に対して燃料電池は所定の燃料消費率を保持した発電を
安定して持続し、かつインバータ負荷への出力電圧は、
電圧設定値Ｖ、を上限。

バックアップ電源の整流出力電圧ｖｌを下限とする電圧
変動、いいかえれば交流系統３Ａの電圧変動。

にほぼ等しい電圧変動幅を保持して安定した発電運転が
行われる。

なお、負荷の変動によって一旦ｖ口に低下した出力電圧
ｖ０は、燃料電池への反応ガスの供給量の増加に見合っ
てリミット電流信号■ムーが太き（なり、これに伴なっ
て燃料電池の出力電圧■。

が増加するので、Ｉ２≧夏、となった時点ｔ２で電圧設
定値■雲に回復し、バックアップ電源がオフ状態に戻る
とともに、自動電圧１Ｍ節器による定電圧制御が行われ
る。

第４図はこの発明の他の実施例を示す装置のブロック図
であり、自動電圧調節器６の電圧設定値８８がバックア
ップ電源３の整置出力電圧Ｖ、より僅かに低い電圧値に
設定されてダイオード整流器３Ｂが常時オン状態となり
、出力電圧■。はバックアップ電源３の出力電圧Ｖ、と
等しくなる。また、出力電圧ｖ０と電流検出器９Ｂで検
出されたバックアップ電：Ｉ１３の出力電圧！、とを掛
算器１３で掛算して得られるバックアップ電源の出力電
力信号１３ｐを、設定器１２に設定された零レベルに近
い電力設定値１２ｐと比較する自動電力調節器１１を設
け、その出力信号ｌｉｐを自動電圧調節器６に加えるよ
う構成したことにより、自動電圧ＩＩＩ器６の出力信号
６Ｓはリミット電流信号■ム―によって規制される最大
値に飽和し、自動電流調節器７Ａが制御パルス発生器７
Ｂを介してＤ　Ｃ／Ｄ　Ｃ変換器に燃料消費率によって
決まる所定の出力電流Ｉ、を出力するよう指令する。し
たがって、燃料電池ＩＡはリミット電流信号ＩＺ＆ｍに
よって規制される電流値以下の範囲の出力電流１．を常
時出力する定常発電運転を常時安定して行い、バックア
ップ電源３は定常運転時にもオン状態となって僅かな電
流１１を出力し、□負荷の急増時には不足する電流を供
給する。また、出力電圧ｖ０はバンクアップ電源の出力
電圧Ｖ、と常に等しくなり、負荷の急増による電圧低下
が殆ど排除され交流系統３Ａの電圧変動に追従して出力
電圧ｖ０が変化する発電運転が行われる。

〔発明の効果〕

この発明は前述のように、燃料電池の出力側にＤ　Ｃ／
Ｄ　Ｃ変換器を設け、これを自動電圧！１！節器および
電流制御部からｍｍ回路により定電圧制御するとともに
、燃料電池の燃料消費率およびＶ　−■特性によって決
まるリミット電流信号により自動電圧１１１ｆ！器の出
力信号を所定レベル以下に制限するように構成した。そ
の結果、自動電圧調節器の電圧設定値をバックアップ’
ｔｌＢの出力電圧より僅かに高く設定することにより、
定常時はバックアップ電源はオフ状態となって燃料電池
が所定の燃料消費率を保持してインバータ負荷に直流電
力を供給し、電流急増時にはバックアップ電源がオンし
て不足した負荷電流を供給するので、バックアップ電源
の整流器は制御機能を持たないダイオード整流器ですむ
ことになり、従来技術に比べてバックアップ電源の構成
および制御を筒素化できると同時に、燃料電池を所定の
燃料消費率と発電効率を保持して安定して運転できる利
点が得られる。

また、自動電圧！ｌｌＩｗｉ器の電圧設定値をバックア
ップ電源の出力電圧より僅かに低く設定し、かつバック
アップ電源の出力電力を零レベルの電力設定値と比較し
て信号を発する自動電力！１１ｙ！ｉ器により自動電圧
調節器を制御するよう構成した場合には、バックアップ
電源のダイオード整流器は常時オンして僅かな電流をイ
ンバータ負荷に供給し、電流急増時には不足する負荷電
流を供給するので、負荷回路への出力変動を交流系統の
電圧変動幅の範囲に完成に抑さえ込むことが可能になり
、従来技術に比べて電圧が安定した直流電力をインバー
タ負荷に直接供給できるバックアップ制御装置を備えた
直流出力の燃料電池発電システムを提供することができ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の実施例になる燃料電池発電システム
のバックアップ制御装置を示すブロック図、第２図は実
施例の装置の動作う説明するためのＶ−１特性線図、第
３図は実施例における出力電圧の変化を示す特性線図、
第４図はこの発明の異なる実施例を示す装置のブロック
図、第５図は従来の装置を示すブロック図、第６図は従
来の装置の原理を説明するためのＶ−１特性線図である
。 １：燃料電池発電システム、ＩＡｊ燃料電池、ＩＢ＋制
御部、２：Ｄｃ／ＤＣ変換器、３．３３：バックアップ
電源、３Ａ：交流系統、３Ｂ＝ダイオード整流器、３Ｃ
：サイリスク整流器、７：電流制御部、８：電圧設定器
、８Ｓ：電圧設定信号、１１：自動電力調節器、■、：
電圧設定値、６Ｓ：電流設定値、ｖｏ　：出力電圧、■
、：バックアップ電源の出力電圧、Ｉｖ　：燃料電池の
出力電流、ＩムＩＩ＋　　？　リミット電日！ト１１も 片ケ 殆 図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）直流−直流変換器を介して出力される燃料電池の出
   力と、交流電力をダイオード整流器により整流して出力
   するバックアップ電源の出力とを並列にして複数のイン
   バータ負荷に直流電力として供給するものであって、前
   記直流−直流変換器出力側の電圧を前記バックアップ電
   源の定常出力電圧より僅かに高い電圧設定値と照合して
   その差に基づいて信号を発する比例積分調節器からなり
   、前記燃料電池の燃料ガス消費率によって決まるリミッ
   ト電流信号によって出力信号が所定レベルに規制される
   電圧調節器と、この電圧調節器の出力信号を電流設定信
   号として前記燃料電池の出力電流との比較により電流制
   御信号を前記直流−直流変換器に向けて出力する電流制
   御部とを備え、前記所定レベルを起えたとき不足する負
   荷電流を前記バックアップ電源から補給することを特徴
   とする燃料電池発電システムのバックアップ制御装置。 ２）電圧調節器の電圧設定値がバックアップ電源の定常
   出力より僅かに低い電圧値に設定されるとともに、バッ
   クアップ電源の出力電力を零レベルに近い電力設定信号
   と比較して信号を発する自動電力調節器により前記自動
   電圧調節器がリミット電流信号によって規制される所定
   レベルの信号を常時発するよう形成されてなることを特
   徴とする請求項１記載の燃料電池発電システムのバック
   アップ制御装置。