JPH10210685A - 燃料電池用系統連系電力変換装置の制御方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】補機電力供給に伴なう燃料電池の出力電力の急
変による電池特性劣化を確実に抑制すること。 【解決手段】燃料電池１の停止中は、補機切離用遮断器
７を閉じると共に系統連系用遮断器３を開いて、交流電
源４から補機８へ電力を供給し、燃料電池１の発電開始
時には、切換回路43により出力電圧制御回路62からの出
力に切り換えてインバータ電圧をソフトスタートさせ、
当該インバータ出力電圧が確立した時点で系統連系用遮
断器３を閉じると共に切換回路43により出力電力制御回
路42からの出力に切り換えて連系運転を開始し、電力基
準発生回路41からランプ状の指令値を出力することで、
燃料電池１の出力電力を定格値まで立ち上げる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、燃料電池に用いら
れる系統連系電力変換装置の制御方法に係り、特に補機
電力供給に伴なう燃料電池の出力電力の急変による電池
特性劣化を確実に抑制できるようにした燃料電池用系統
連系電力変換装置の制御方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来から、燃料の有しているエネルギー
を直接電気エネルギーに変換する装置として、燃料電池
が知られている。この種の燃料電池は、通常、非導電性
の多孔質体に電解質を含浸した電解質層（マトリックス
層）を挟んで一対の多孔質電極を配置して燃料電池本体
を構成し、一方の多孔質電極である燃料極の背面側に、
反応ガスである水素等の燃料ガスを供給すると共に、他
方の多孔電極である酸化剤極の背面側に、反応ガスであ
る酸素等の酸化剤ガスを供給することにより起こる電気
化学的反応を利用して発電を行ない、上記一対の電極間
から電気エネルギー（直流電力）を取り出すようにした
ものであり、上記燃料ガスと酸化剤ガスが供給されてい
る限り、高い効率で電気エネルギーを取り出すことがで
きる装置である。

【０００３】この燃料電池は、比較的小さな規模であっ
ても、発電効率は４０〜５０％にも達し、新鋭火力発電
をはるかにしのぐと期待されている。また、近年大きな
社会問題になっている公害要因であるＳＯｘ、ＮＯｘの
排出は極めて少なく、発電プラント内に燃焼サイクルを
含まないため、多量の冷却水を必要とせず、振動も小さ
いことから、騒音・排ガス等の環境問題が少ないという
利点がある。

【０００４】さらに、負荷変動に対して応答性が良く、
原理的に高い変換効率が期待できると共に、発電と同時
に熱も利用するコジェネレーションシステムに向いてい
る等の特徴から、その研究開発に期待と関心が寄せられ
ている。

【０００５】ところで、最近では、このような燃料電池
と、商用交流電源系統とを、系統連系用の電力変換装置
により連系して燃料電池用系統連系電力変換装置全体を
構成することが提案されてきている。

【０００６】図１３は、この種の従来の燃料電池用系統
連系電力変換装置の全体構成例を示す概要図である。図
１３において、燃料電池１は、電解質層を挟んで対向配
置された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、電気化学的反応を利用して発電を行ない
各電極間から直流電力を取り出すもので、その出力側は
インバータ５の入力側に接続されている。

【０００７】また、インバータ５は、燃料電池１から出
力される直流電力を交流に変換するもので、その出力側
はインバータトランス２の一方の巻線に接続されてい
る。さらに、インバータトランス２のもう一方の巻線
は、系統連系用遮断器３を介して商用交流電源４に接続
されると共に、補機電力供給用のトランスファスイッチ
６の一方の端子に接続されている。

【０００８】さらにまた、トランスファスイッチ６のも
う一方の端子は商用交流電源４に接続され、トランスフ
ァスイッチ６の出力側端子は補機８に接続されている。
一方、インバータトランス２のもう一方の巻線には、そ
の電圧を検出する出力電圧検出器３１が接続されてい
る。

【０００９】また、インバータトランス２のもう一方の
巻線側には、その電流を検出する出力電流検出器３３が
設けられている。さらに、商用交流電源４には、系統電
圧を検出する系統電圧検出器３２が接続されている。

【００１０】一方、インバータ制御回路２１は、電力基
準発生回路４１と、出力電力制御回路４２と、出力電圧
基準発生回路６１と、出力電圧制御回路６２と、切換回
路４３と、ゲート制御回路４４と、出力電力検出回路４
５とから構成されている。

【００１１】電力基準発生回路４１は、出力電力基準を
発生する出力電力基準回路５１と、出力電力基準回路５
１からの出力電力基準が入力され、出力電力基準をラン
プ状にして出力するランプ関数回路５２とからなってい
る。

【００１２】出力電力検出回路４５は、系統電圧検出器
３２からの出力、および出力電流検出器３３からの出力
が電力フィードバックとして入力され、これらを基に出
力電力を検出する。

【００１３】出力電力制御回路４２は、電力基準発生回
路４１からの出力が入力され、これを基にインバータ５
の出力電力を制御すべき出力を送出する。出力電圧基準
発生回路６１は、出力電圧基準を出力する。

【００１４】出力電圧制御回路６２は、出力電圧基準発
生回路６１からの出力、および出力電圧検出器３１から
の出力が入力され、これらを基にインバータ５の出力電
圧を制御すべき出力を送出する。

【００１５】切換回路４３は、出力電力制御回路４２か
らの出力、および出力電圧制御回路６２からの出力が入
力され、これらのいずれか一方を切り換えて出力する。
ゲート制御回路４４は、切換回路４３からの出力が入力
され、これを基にインバータ５の出力を制御する。

【００１６】図１４は、インバータ５の構成例を示す回
路図である。図１４において、直流電源の正極Ｐは、直
流コンデンサ７４の一方の端子に接続されている。

【００１７】また、直流電源の正極Ｐは、スイッチング
素子７５ａ，７５ｃ，７５ｅのコレクタにそれぞれ接続
されている。さらに、各スイッチング素子７５ａ，７５
ｃ，７５ｅのエミッタは、スイッチング素子７５ｂ，７
５ｄ，７５ｆのコレクタにそれぞれ接続されており、こ
れらはそれぞれＵ，Ｖ，Ｗ各相のインバータ出力７６と
なる。

【００１８】また、各スイッチング素子７５ｂ，７５
ｄ，７５ｆのエミッタは、直流コンデンサ７４のもう一
方の端子に接続され、直流電源の負極Ｎに接続されてい
る。さらに、ゲート駆動回路７２は、図１３のゲート制
御回路４４からの出力であるゲート信号７１によって制
御され、上下のスイッチング素子が同時にオンしないよ
うにするデッドタイム期間を生成して、各スイッチング
素子７５ａ，７５ｃ，７５ｅ，７５ｂ，７５ｄ，７５ｆ
をオン／オフさせる。

【００１９】さて、以上のような燃料電池用系統連系電
力変換装置において、燃料電池１の停止中は、補機電力
は、トランスファスイッチ６を介して商用交流電源４か
ら供給される。

【００２０】図１５は、プラント制御の構成例を示すブ
ロック図である。図１５において、プラント制御装置２
２は、燃料電池１に接続されてそのプロセス系の制御を
行なっている。

【００２１】また、インバータ制御回路２１に、連系指
令１０１、待機指令１０２、停止指令１０３、出力電力
指令値１０４を送っている。燃料電池１の発電開始時に
は、プラント制御装置２２から、待機指令１０２がイン
バータ制御回路２１に入力され、その時点で切換回路４
３は出力電圧制御回路６２側に接続されており、インバ
ータ５出力電圧をソフトスタートさせて、インバータ５
出力電圧が確立した時点で、トランスファスイッチ６が
インバータ５側に切り換わることで、燃料電池１の補機
電力をインバータ５から供給する。

【００２２】その後、プラント制御装置２２から、連系
指令１０１が出力されることにより、系統連系用遮断器
３を閉じて系統連系を行なう。図１６は、系統同期検出
回路の構成例を示すブロック図である。

【００２３】図１６において、出力電圧検出器３３から
の出力は、位相検出器１１４および振幅検出器１１５に
それぞれ入力されている。また、系統電圧検出器３２か
らの出力は、位相検出器１１６および振幅検出器１１７
にそれぞれ入力されている。

【００２４】一方、位相検出器１１４からの出力、およ
び位相検出器１１５からの出力は、位相比較器１１８に
入力され、出力電圧位相と系統電圧位相とを比較して位
相一致信号１１９を出力する。

【００２５】また、振幅検出器１１５からの出力、およ
び振幅検出器１１７からの出力は、振幅比較器１２０に
入力され、出力電圧振幅と系統電圧振幅とを比較して振
幅一致信号１２１を出力する。

【００２６】そして、位相一致信号１１９、および振幅
一致信号１２１が出力されていることにより、系統連系
用遮断器３を閉じて、切換回路４３を出力電力制御回路
４３側に切り換えることで、系統連系運転を開始し、電
力基準発生回路４１からランプ状の指令値を出力するこ
とで、燃料電池１の出力電力を定格値まで立ち上げてい
く。

【００２７】しかしながら、上述したような燃料電池用
系統連系電力変換装置では、以下のような問題がある。
すなわち、プラント制御装置２２によって、燃料電池１
が発電を開始した時点で、補機電力供給源がトランスフ
ァスイッチ６によって、系統側からインバータ５側に切
り換わることで、補機電力がステップ的に燃料電池１の
負荷としてかかる。このため、燃料電池１のプロセスに
局所的な燃料不足が発生して、電池内部の電極の酸化が
促進されるため、燃料電池１の特性を劣化させることに
なる。

【００２８】

【発明が解決しようとする課題】以上のように、従来の
燃料電池用系統連系電力変換装置においては、燃料電池
の発電開始時に、補機への電力供給によって燃料電池の
出力電力が急変し、燃料電池の特性を劣化させるという
問題があった。

【００２９】本発明の目的は、補機電力供給に伴なう燃
料電池の出力電力の急変による電池特性劣化を確実に抑
制することが可能な燃料電池用系統連系電力変換装置の
制御方法を提供することにある。

【００３０】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、請求項１の発明では、電解質層を挟んで対向配置
された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、電気化学的反応を利用して発電を行ない各
電極間から直流電力を取り出す燃料電池と、出力側が系
統連系用遮断器および補機切離用遮断器を直列に介して
交流電源に接続され、燃料電池から出力される直流電力
を交流に変換するインバータと、系統連系用遮断器と補
機切離用遮断器との連系点に接続された補機と、出力電
力基準をランプ状にして出力する電力基準発生回路、電
力基準発生回路からの出力に基づいてインバータの出力
電力を制御する出力電力制御回路、出力電圧基準を出力
する出力電圧基準発生回路、出力電圧基準発生回路から
の出力に基づいてインバータの出力電圧を制御する出力
電圧制御回路、出力電力制御回路からの出力と出力電圧
制御回路からの出力とを切り換える切換回路、および切
換回路からの出力に基づいてインバータの出力を制御す
るゲート制御回路を有するインバータ制御回路とを備え
て構成され、燃料電池の停止中は、補機切離用遮断器を
閉じると共に系統連系用遮断器を開いて、交流電源から
補機へ電力を供給し、燃料電池の発電開始時には、切換
回路により出力電圧制御回路からの出力に切り換えてイ
ンバータ電圧をソフトスタートさせ、当該インバータ出
力電圧が確立した時点で系統連系用遮断器を閉じると共
に切換回路により出力電力制御回路からの出力に切り換
えて連系運転を開始し、電力基準発生回路からランプ状
の指令値を出力することで、燃料電池の出力電力を定格
値まで立ち上げるようにしている。

【００３１】従って、請求項１の発明の燃料電池用系統
連系電力変換装置の制御方法においては、燃料電池の発
電開始時に、燃料電池の出力電力をランプ状にして立ち
上げることにより、補機電力供給に伴なう燃料電池の出
力電力の急変を抑制して、燃料電池のプロセス内での局
所的な燃料不足発生による電池特性劣化を防ぐことがで
きる。

【００３２】また、請求項２の発明では、上記請求項１
の発明の燃料電池用系統連系電力変換装置の制御方法に
おいて、電力基準発生回路に、当該電力基準発生回路か
らの出力を一定値以上の傾きで変化させるリミッタを備
え、燃料電池の発電開始時の出力電力の変化率を一定値
以内に抑えるように起動するようにしている。

【００３３】従って、請求項２の発明の燃料電池用系統
連系電力変換装置の制御方法においては、燃料電池発電
時の燃料電池の出力電力の変化率を一定値以内に抑える
ように起動することにより、補機電力供給に伴なう燃料
電池の出力電力の急変を抑制して、燃料電池のプロセス
内での局所的な燃料不足発生による電池特性劣化を防ぐ
ことができると共に、出力電力を一定時間内に定格値出
力とすることができる。

【００３４】さらに、請求項３の発明では、上記請求項
１の発明の燃料電池用系統連系電力変換装置の制御方法
において、電力基準発生回路に、当該電力基準発生回路
からの出力を一定の傾きの範囲内で変化させるリミッタ
を備え、燃料電池の発電開始時の出力電力の変化率を燃
料電池のプロセスの反応特性に合致させて制限するよう
にしている。

【００３５】従って、請求項３の発明の燃料電池用系統
連系電力変換装置の制御方法においては、燃料電池発電
時の燃料電池の出力電力の変化率を、燃料電池のプロセ
スの反応特性に合致させて制限することにより、補機電
力供給に伴なう燃料電池の出力電力の急変を抑制して、
燃料電池のプロセス内での局所的な燃料不足発生による
電池特性劣化を防ぐことができると共に、燃料電池の個
体特性に合致した最小時間で定格出力を出力することが
できる。

【００３６】また、請求項４の発明では、上記請求項１
の発明の燃料電池用系統連系電力変換装置の制御方法に
おいて、系統連系用遮断器と補機切離用遮断器との連系
点に自立負荷接続用遮断器を介して接続された自立負荷
を備え、系統停電時には、補機切離用遮断器を開くと共
に系統連系用遮断器および自立負荷接続用遮断器を閉じ
た状態で、切換回路により出力電力制御回路から出力電
圧制御回路からの出力に切り換えて、インバータから自
立負荷へ電力を供給し続けるようにしている。

【００３７】従って、請求項４の発明の燃料電池用系統
連系電力変換装置の制御方法においては、系統停電時に
自立負荷に交流電力を供給する自立負荷運転を行ない、
燃料電池発電時の燃料電池の出力電力の変化率を一定値
以内に抑えるように起動することにより、補機電力供給
に伴なう燃料電池の出力電力の急変を抑制して、燃料電
池のプロセス内での局所的な燃料不足発生による電池特
性劣化を防ぐことができると共に、出力電力を一定時間
内に定格値とすることができ、系統停電時に自立負荷に
対して電力を供給し続けることができる。

【００３８】さらに、請求項５の発明では、上記請求項
４の発明の燃料電池用系統連系電力変換装置の制御方法
において、燃料電池と並列にバッテリ接続スイッチを介
して接続されたバックアップ用のバッテリを備え、自立
負荷運転時の出力電力急変時には、バッテリ接続スイッ
チを閉じてバッテリからインバータへ電力を供給して、
自立負荷運転時の負荷急変による出力電力の急変をバッ
テリに蓄えた電力により補償するようにしている。

【００３９】従って、請求項５の発明の燃料電池用系統
連系電力変換装置の制御方法においては、自立負荷運転
時の負荷急変による出力電力の急変を、バックアップ用
のバッテリに蓄えた電力によって補償することにより、
燃料電池に対する負荷急変を抑制して、負荷急変による
燃料電池のプロセス内での局所的な燃料不足発生による
電池特性劣化を防ぐことができると共に、出力電力を一
定時間内に定格出力とすることができ、系統停電時にお
ける自立負荷での負荷急変に対しても、燃料電池に対す
る出力電力の負荷急変を抑制することができる。

【００４０】一方、請求項６の発明では、電解質層を挟
んで対向配置された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、電気化学的反応を利用して発
電を行ない各電極間から直流電力を取り出す燃料電池
と、出力側が系統連系用遮断器を介して交流電源に接続
され、燃料電池から出力される直流電力を交流に変換す
るインバータと、入力側がトランスファスイッチを介し
て、インバータの出力側または交流電源に接続された補
機と、出力電力基準をランプ状にして出力する電力基準
発生回路、電力基準発生回路からの出力に基づいてイン
バータの出力電力を制御する出力電力制御回路、出力電
圧基準を出力する出力電圧基準発生回路、出力電圧基準
発生回路からの出力に基づいてインバータの出力電圧を
制御する出力電圧制御回路、出力電力制御回路からの出
力と出力電圧制御回路からの出力とを切り換える切換回
路、および切換回路からの出力に基づいてインバータの
出力を制御するゲート制御回路を有するインバータ制御
回路と、燃料電池と並列に、バッテリ接続スイッチを介
して接続されたバックアップ用のバッテリとを備えて構
成され、燃料電池の停止中は、トランスファスイッチを
交流電源側に切り換えて交流電源から補機へ電力を供給
し、燃料電池の発電開始時には、インバータを起動して
定格電圧を出力させると共に、トランスファスイッチを
インバータ側に切り換え、補機電力がインバータにかか
った時点でバッテリ接続スイッチを閉じてバッテリから
補機へ電力を供給し、さらに系統連系用遮断器を閉じる
と共に、切換回路により出力電圧制御回路から出力電力
制御回路からの出力に切り換えて、燃料電池のプロセス
の反応特性によって決まるランプレートにより燃料電池
の出力電力を定格値まで変化させて、燃料電池発電開始
時のトランスファスイッチの切り換えによる出力電力の
急変をバッテリに蓄えた電力により補償するようにして
いる。

【００４１】従って、請求項６の発明の燃料電池用系統
連系電力変換装置の制御方法においては、燃料電池の発
電開始時のトランスファスイッチの切り換わりによる出
力電力の急変を、バックアップ用のバッテリに蓄えた電
力によって補償することにより、燃料電池に対する負荷
急変を抑制して、負荷急変による燃料電池のプロセス内
での局所的な燃料不足発生による電池特性劣化を防ぐこ
とができると共に、出力電力を一定時間内に定格値とす
ることができる。

【００４２】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て図面を参照して詳細に説明する。 （第１の実施の形態：請求項１に対応）図１は、本実施
の形態による燃料電池用系統連系電力変換装置の全体構
成例を示す概要図であり、図１３と同一要素には同一符
号を付してその説明を省略し、ここでは異なる部分につ
いてのみ述べる。

【００４３】すなわち、本実施の形態の燃料電池用系統
連系電力変換装置は、図１に示すように、図１３におけ
るトランスファスイッチ６を省略し、またインバータ５
の出力側を系統連系用遮断器３および補機切離用遮断器
７を直列に介して商用交流電源４に接続し、さらに系統
連系用遮断器３と補機切離用遮断器７との連系点に補機
８を接続した構成としている。

【００４４】次に、以上のように構成した本実施の形態
の燃料電池用系統連系電力変換装置の制御方法につい
て、図２に示すプラント起動シーケンス図を用いて説明
する。なお、図２において、各信号は、前記プラント制
御装置２２からの連系指令１０１、系統連系用遮断器３
の開閉状態、補機切離用遮断器７の開閉状態、インバー
タ制御回路２１内の電圧制御切換状態と電力制御切換状
態、インバータ出力電圧、燃料電池１の電圧と、燃料電
池１の出力電力をそれぞれ示している。

【００４５】まず、燃料電池１の停止中は、補機切離用
遮断器７を閉じ、系統連系用遮断器３を開いておくこと
により、補機電力は補機切離用遮断器７を介して商用交
流電源４から供給される。

【００４６】一方、燃料電池１の発電開始時には、イン
バータ制御回路２１内の切換回路４３は出力電圧制御回
路６２側に接続されており、インバータ５電圧をソフト
スタートさせ、インバータ５出力電圧が確立した時点
で、系統連系用遮断器３を閉じ、切換回路４３を出力電
力制御回路４２側に切り換えることにより、系統連系運
転を開始し、電力基準発生回路４１からランプ状の指令
値を出力することにより、燃料電池１の出力電力を０ｋ
Ｗから定格出力値まで立ち上げていく。

【００４７】これにより、補機電力供給に伴なう燃料電
池１の出力電力の急変を抑制することができ、燃料電池
１のプロセス内での局所的な燃料不足発生による燃料電
池１の特性劣化を防ぐことができる。

【００４８】上述したように、本実施の形態の燃料電池
用系統連系電力変換装置の制御方法では、燃料電池１の
発電開始時に、燃料電池１の出力電力を０ｋＷから定格
出力値までランプ状にして立ち上げるようにしているの
で、補機電力供給に伴なう燃料電池１の出力電力の急変
を抑制して、燃料電池１のプロセス内での局所的な燃料
不足発生による電池特性劣化を確実に防ぐことが可能と
なる。

【００４９】（第２の実施の形態：請求項２に対応）図
３は、本実施の形態による燃料電池用系統連系電力変換
装置における電力基準発生回路の構成例を示すブロック
図である。

【００５０】すなわち、本実施の形態の電力基準発生回
路４１は、図３に示すように、前記第１の実施の形態に
おける電力基準発生回路４１に、ランプ関数の傾き指令
値５５を入力し、その出力をランプ関数回路５２の傾き
設定値として入力する下限リミッタ５６を備え、燃料電
池１の発電開始時の出力電力の変化率を一定値以内に抑
える（電力基準発生回路４１からの出力を一定値以上の
傾きで変化させる）ように起動する構成としている。

【００５１】次に、以上のように構成した本実施の形態
の燃料電池用系統連系電力変換装置の制御方法について
説明する。なお、前記第１の実施の形態における作用と
同一部分についてはその説明を省略し、ここでは異なる
部分についてのみ述べる。

【００５２】すなわち、電力基準発生回路４１におい
て、ランプ関数の傾き指令値５５を下限リミッタ５６に
入力し、その出力をランプ関数回路５２の傾き設定値と
して入力することにより、電力基準発生回路４１の出力
は一定値以上の傾きで変化する。

【００５３】これにより、補機電力供給に伴なう燃料電
池１の出力電力の急変を抑制することができ、燃料電池
１のプロセス内での局所的な燃料不足発生による燃料電
池１の特性劣化を防ぐことができる。

【００５４】上述したように、本実施の形態の燃料電池
用系統連系電力変換装置の制御方法では、燃料電池発電
時の燃料電池１の出力電力の変化率を一定値以内に抑え
るように起動するようにしているので、補機電力供給に
伴なう燃料電池１の出力電力の急変を抑制して、燃料電
池１のプロセス内での局所的な燃料不足発生による電池
特性劣化を確実に防ぐことができ、かつ燃料電池１の出
力電力を一定時間内に定格値出力とすることが可能とな
る。

【００５５】（第３の実施の形態：請求項３に対応）図
４は、本実施の形態による燃料電池用系統連系電力変換
装置における電力基準発生回路の構成例を示すブロック
図である。

【００５６】すなわち、本実施の形態の電力基準発生回
路４１は、図４に示すように、前記第１の実施の形態に
おける電力基準発生回路４１に、ランプ関数の傾き指令
値５５を入力し、傾き指令を一定の範囲内に規定し、そ
の出力をランプ関数回路５２の傾きとして入力するリミ
ッタ５４を備え、燃料電池１の発電開始時の出力電力を
燃料電池１のプロセスの反応特性に合致させて制限する
（電力基準発生回路４１からの出力を一定の傾きの範囲
内で変化させる）リミッタ５４を備え、燃料電池１の発
電開始時の出力電力の変化率を燃料電池１のプロセスの
反応特性に合致させて制限する構成としている。

【００５７】次に、以上のように構成した本実施の形態
の燃料電池用系統連系電力変換装置の制御方法について
説明する。なお、前記第１の実施の形態における作用と
同一部分についてはその説明を省略し、ここでは異なる
部分についてのみ述べる。

【００５８】すなわち、電力基準発生回路４１におい
て、ランプ関数の傾き指令値５５をリミッタ５４に入力
し、傾き指令を一定の範囲内に規定し、その出力をラン
プ関数回路５２の傾きとして入力することにより、電力
基準発生回路４１の出力は一定の傾きの範囲内で変化す
る。

【００５９】この場合、リミッタ５４の設定範囲は、燃
料電池１のプロセスの反応特性によって決まるランプレ
ートにより規定し、（燃料電池１の定格出力）／２０ｓ
ｅｃ±５ｓｅｃで制御して定格値まで変化させること
で、燃料電池１の出力電力は急変することなく一定のレ
ートで変化する。

【００６０】これにより、補機電力供給に伴なう燃料電
池１の出力電力の急変を抑制することができ、燃料電池
１のプロセス内での局所的な燃料不足発生による燃料電
池１の特性劣化を防ぐことができる。

【００６１】上述したように、本実施の形態の燃料電池
用系統連系電力変換装置の制御方法では、燃料電池発電
時の燃料電池１の出力電力の変化率を、燃料電池１のプ
ロセスの反応特性に合致させて制限するようにしている
ので、補機電力供給に伴なう燃料電池１の出力電力の急
変を抑制して、燃料電池１のプロセス内での局所的な燃
料不足発生による電池特性劣化を確実に防ぐことがで
き、かつ燃料電池１の個体特性に合致した最小時間で定
格出力を出力することが可能となる。

【００６２】（第４の実施の形態：請求項４に対応）図
５は、本実施の形態による燃料電池用系統連系電力変換
装置の全体構成例を示す概要図であり、図１と同一要素
には同一符号を付してその説明を省略し、ここでは異な
る部分についてのみ述べる。

【００６３】すなわち、本実施の形態の燃料電池用系統
連系電力変換装置は、図５に示すように、図１における
系統連系用遮断器３と補機切離用遮断器７との連系点
に、自立負荷接続用遮断器１３を介して自立負荷１４を
接続した構成としている。

【００６４】次に、以上のように構成した本実施の形態
の燃料電池用系統連系電力変換装置の制御方法につい
て、図６に示すプラント起動シーケンスおよび系統停電
シーケンス図を用いて説明する。

【００６５】なお、図６のプラント起動シーケンスにお
いて、各信号は上から順に、連系指令、系統連系用遮断
器３の開閉指令、補機切離用遮断器７の開閉指令、自立
負荷接続用遮断器１３の開閉指令、電圧制御切換指令、
電力制御切換指令、インバータ出力電圧、燃料電池１の
電圧、燃料電池１の出力電力をそれぞれ示している。

【００６６】また、図６の系統停電時シーケンスにおい
て、各信号は上から順に、系統連系用遮断器３の開閉指
令、補機切離用遮断器７の開閉指令、自立負荷接続用遮
断器１３の開閉指令、電圧制御切換指令、電力制御切換
指令、系統電圧をそれぞれ示している。

【００６７】まず、燃料電池１の停止時には、補機切離
用遮断器７および自立負荷接続用遮断器１３を閉じ、系
統連系用遮断器３を開いておくことにより、補機電力は
補機切離用遮断器７を介して商用交流電源４から供給さ
れ、かつ自立負荷１４にも自立負荷接続用遮断器１３を
介して電力が供給される。

【００６８】一方、燃料電池１の発電開始時には、イン
バータ５を起動して定格電圧を出力し、インバータトラ
ンス２の励磁が行なわれた時点で、系統連系用遮断器３
を閉じ、インバータ５の制御を電圧制御から電力制御に
切り換え、出力電力の変化率を燃料電池１のプロセスの
反応特性によって決まるランプレートにより規定し、出
力電力を定格値まで変化させることにより、燃料電池１
の出力電力は急変することなく一定のレートで変化す
る。

【００６９】これにより、補機電力供給に伴なう燃料電
池１の出力電力の急変を抑制することができ、燃料電池
１のプロセス内での局所的な燃料不足発生による燃料電
池１の特性劣化を防ぐことができる。

【００７０】図７は、停電検出回路の構成例を示すブロ
ック図である。図７において、系統電圧検出器３２から
の出力が停電検出回路１１１に入力され、その検出信号
が補機切離用遮断器７の開指令１１２、およびインバー
タ制御回路２１内の切換回路４３の電圧制御／電力制御
切換信号１１３として出力されている。

【００７１】系統が停電した場合には、補機切離用遮断
器７の開指令１１２によって補機切離用遮断器７が開
き、系統連系用遮断器３および自立負荷接続用遮断器１
３が閉じた状態で、インバータ５は電圧制御／電力制御
切換信号１１３によって電力制御から電圧制御に切り換
わり、自立負荷１４に電力を供給し続けることができ
る。

【００７２】上述したように、本実施の形態の燃料電池
用系統連系電力変換装置の制御方法では、系統停電時に
自立負荷１４に交流電力を供給する自立負荷運転を行な
い、燃料電池発電時の燃料電池１の出力電力の変化率を
一定値以内に抑えるように起動するようにしているの
で、補機電力供給に伴なう燃料電池１の出力電力の急変
を抑制して、燃料電池１のプロセス内での局所的な燃料
不足発生による電池特性劣化を確実に防ぐことができ、
かつ出力電力を一定時間内に定格値とすることができ、
系統停電時に自立負荷１４に対して電力を供給し続ける
ことが可能となる。

【００７３】（第５の実施の形態：請求項５に対応）図
８は、本実施の形態による燃料電池用系統連系電力変換
装置の全体構成例を示す概要図であり、図５と同一要素
には同一符号を付してその説明を省略し、ここでは異な
る部分についてのみ述べる。

【００７４】すなわち、本実施の形態の燃料電池用系統
連系電力変換装置は、図８に示すように、図５における
燃料電池１と並列に、バッテリ接続スイッチ１６を介し
てバックアップ用のバッテリ１５を接続した構成として
いる。

【００７５】次に、以上のように構成した本実施の形態
の燃料電池用系統連系電力変換装置の制御方法につい
て、図９に示すプラント起動シーケンスおよび系統停電
および自立負荷急変シーケンス図を用いて説明する。

【００７６】なお、図９のプラント起動シーケンスにお
いて、各信号は上から順に、連系指令、系統連系用遮断
器３の開閉指令、補機切離用遮断器７の開閉指令、自立
負荷接続用遮断器１３の開閉指令、電圧制御切換指令、
電力制御切換指令、インバータ出力電圧、燃料電池１の
電圧、燃料電池１の出力電力をそれぞれ示している。

【００７７】また、図９の系統停電時および自立負荷急
変シーケンスにおいて、各信号は上から順に、系統連系
用遮断器３の開閉指令、補機切離用遮断器７の開閉指
令、自立負荷接続用遮断器１３の開閉指令、電圧制御切
換指令、電力制御切換指令、系統電圧、自立負荷量、バ
ッテリ接続スイッチ１６の開閉指令、燃料電池１の出力
電力量をそれぞれ示している。

【００７８】まず、燃料電池１の停止時には、補機切離
用遮断器７および自立負荷接続用遮断器１３を閉じ、系
統連系用遮断器３を開いておくことにより、補機電力は
補機切離用遮断器７を介して商用交流電源４から供給さ
れ、かつ自立負荷１４にも自立負荷接続用遮断器１３を
介して電力が供給される。

【００７９】一方、燃料電池１の発電開始時には、イン
バータ５を起動して定格電圧を出力し、インバータトラ
ンス２の励磁が行なわれた時点で、系統連系用遮断器３
を閉じ、インバータ５の制御を電圧制御から電力制御に
切り換え、出力電力の変化率を燃料電池１のプロセスの
反応特性によって決まるランプレートにより規定し、出
力電力を定格値まで変化させることにより、燃料電池１
の出力電力は急変することなく一定のレートで変化す
る。

【００８０】これにより、補機電力供給に伴なう燃料電
池１の出力電力の急変を抑制することができ、燃料電池
１のプロセス内での局所的な燃料不足発生による燃料電
池１の特性劣化を防ぐことができる。

【００８１】系統が停電した場合には、前記第４の実施
の形態における場合と同様の制御により、自立負荷１４
に電力を供給し続けることができる。図１０は、バッテ
リ接続スイッチ１６の制御回路の構成例を示すブロック
図である。

【００８２】図１０において、出力電力検出回路４５に
よって検出された出力電力値は、出力電力急変検出回路
１３０に入力される。出力電力の急変が発生した場合に
は、出力電力急変検出回路１３０によって検出されて、
バッテリ接続スイッチ１６の閉指令１３１が出力され、
バックアップ用のバッテリ１５からインバータ５へ電力
を供給することにより、燃料電池１に対する出力電力の
急変を抑制することができる。

【００８３】上述したように、本実施の形態の燃料電池
用系統連系電力変換装置の制御方法では、自立負荷運転
時の負荷急変による出力電力の急変を、バックアップ用
のバッテリ１５に蓄えた電力によって補償するようにし
ているので、前記第４の実施の形態における場合と同様
の効果が得られるのに加えて、系統停電時における自立
負荷１４での負荷急変に対しても、燃料電池１に対する
出力電力の負荷急変を抑制することが可能となる。

【００８４】（第６の実施の形態：請求項６に対応）図
１１は、本実施の形態による燃料電池用系統連系電力変
換装置の全体構成例を示す概要図であり、図１３と同一
要素には同一符号を付してその説明を省略し、ここでは
異なる部分についてのみ述べる。

【００８５】すなわち、本実施の形態の燃料電池用系統
連系電力変換装置は、図１１に示すように、図１３にお
ける燃料電池１と並列に、バッテリ接続スイッチ１６を
介してバックアップ用のバッテリ１５を接続した構成と
している。

【００８６】次に、以上のように構成した本実施の形態
の燃料電池用系統連系電力変換装置の制御方法につい
て、図１２に示すプラント起動シーケンス図を用いて説
明する。

【００８７】まず、燃料電池１の停止中は、補機電力
は、トランスファスイッチ６を介して商用交流電源４か
ら供給される。一方、燃料電池１の発電開始時には、イ
ンバータ５を起動して定格電圧を出力し、インバータト
ランス２の励磁が行なわれ、トランスファスイッチ６が
インバータ５側に切り換わり、補機電力がインバータ５
にかかった時点で、バッテリ接続スイッチ１６を閉じ、
バックアップ用のバッテリ１５から電力を供給すること
により、燃料電池１からの出力電力の急変を防ぐことが
できる。

【００８８】さらに、系統連系用遮断器３を閉じ、イン
バータ５の制御を電圧制御から電力制御に切り換え、出
力電力の変化率を燃料電池１のプロセスの反応特性によ
って決まるランプレートにより規定し、出力電力を定格
値まで変化させることにより、燃料電池１の出力電力は
急変することなく一定のレートで変化する。

【００８９】これにより、補機電力供給に伴なう燃料電
池１の出力電力の急変を抑制することができ、燃料電池
１のプロセス内での局所的な燃料不足発生による燃料電
池１の特性劣化を防ぐことができる。

【００９０】上述したように、本実施の形態の燃料電池
用系統連系電力変換装置の制御方法では、燃料電池１の
発電開始時のトランスファスイッチ６の切り換わりによ
る出力電力の急変を、バックアップ用のバッテリ１５に
蓄えた電力によって補償するようにしたので、燃料電池
１に対する負荷急変を抑制して、負荷急変による燃料電
池１のプロセス内での局所的な燃料不足発生による電池
特性劣化を防ぐことができ、かつ出力電力を一定時間内
に定格値とすることが可能となる。

【００９１】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、燃
料電池の発電開始時に、燃料電池の出力電力をランプ状
にして立ち上げるようにしたので、補機電力供給に伴な
う燃料電池の出力電力の急変による電池特性劣化を確実
に抑制することが可能な燃料電池用系統連系電力変換装
置の制御方法が提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による燃料電池用系統連系電力変換装置
の制御方法の第１の実施の形態を示す概要図。

【図２】同第１の実施の形態における燃料電池用系統連
系電力変換装置の制御方法を説明するためのプラント起
動シーケンス図。

【図３】本発明による第２の実施の形態の燃料電池用系
統連系電力変換装置における電力基準発生回路の構成例
を示すブロック図。

【図４】本発明による第３の実施の形態の燃料電池用系
統連系電力変換装置における電力基準発生回路の構成例
を示すブロック図。

【図５】本発明による燃料電池用系統連系電力変換装置
の制御方法の第４の実施の形態を示す概要図。

【図６】同第４の実施の形態における燃料電池用系統連
系電力変換装置の制御方法を説明するためのプラント起
動シーケンスおよび系統停電シーケンス図。

【図７】同第４の実施の形態における燃料電池用系統連
系電力変換装置の制御方法を説明するための停電検出回
路の構成例を示すブロック図。

【図８】本発明による燃料電池用系統連系電力変換装置
の制御方法の第５の実施の形態を示す概要図。

【図９】同第５の実施の形態における燃料電池用系統連
系電力変換装置の制御方法を説明するためのプラント起
動シーケンスおよび系統停電シーケンス図。

【図１０】同第５の実施の形態における燃料電池用系統
連系電力変換装置の制御方法を説明するためのバッテリ
接続スイッチ制御回路の構成例を示すブロック図。

【図１１】本発明による燃料電池用系統連系電力変換装
置の制御方法の第６の実施の形態を示す概要図。

【図１２】同第６の実施の形態における燃料電池用系統
連系電力変換装置の制御方法を説明するためのプラント
起動シーケンス図。

【図１３】従来の燃料電池用系統連系電力変換装置の構
成例を示す概要図。

【図１４】図１３の燃料電池用系統連系電力変換装置に
おけるインバータの構成例を示す回路図。

【図１５】プラント制御の構成例を示すブロック図。

【図１６】図１３の燃料電池用系統連系電力変換装置に
おける系統同期検出回路の構成例を示すブロック図。

【符号の説明】

１…燃料電池、 ２…インバータトランス、 ３…系統連系用遮断器、 ４…商用交流電源、 ５…インバータ、 ６…トランスファスイッチ、 ７…補機切離用遮断器、 ８…補機、 １３…自立負荷接続用遮断器、 １４…自立負荷、 １５…バックアップ用のバッテリ、 １６…バッテリ接続スイッチ、 ２１…インバータ制御回路、 ２２…プラント制御装置、 ３１…出力電圧検出器、 ３２…系統電圧検出器、 ３３…出力電流検出器、 ４１…電力基準発生回路、 ４２…出力電力制御回路、 ４３…切換回路、 ４４…ゲート制御回路、 ４５…出力電力検出回路、 ５１…出力電力基準回路、 ５２…ランプ関数回路、 ５４…リミッタ、 ５５…傾き指令値、 ５６…下限リミッタ、 ６１…出力電圧基準発生回路、 ６２…出力電圧制御回路、 ７１…ゲート信号、 ７２…ゲート駆動回路、 ７４…直流コンデンサ、 ７５ａ，７５ｂ，７５ｃ，７５ｄ，７５ｅ，７５ｆ…ス
イッチング素子、 ７６…インバータ出力、 １０１…連系指令、 １０２…待機指令、 １０３…停止指令、 １０４…出力電力指令値、 １１１…停電検出回路、 １１２…補機切離用遮断器７の開指令、 １１３…電圧制御／電力制御切換信号、 １１４…位相検出器、 １１５…振幅検出器、 １１６…位相検出器、 １１７…振幅検出器、 １１８…位相比較器、 １１９…位相一致信号、 １２０…振幅比較器、 １２１…振幅一致信号、 １３０…出力電力急変検出回路、 １３１…バッテリ接続スイッチ１６の閉指令、 Ｐ…直流電源の正極、 Ｎ…直流電源の負極。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 ＦＩ Ｈ０２Ｊ 15/00 Ｈ０２Ｊ 15/00 Ｇ Ｈ０２Ｍ 7/48 Ｈ０２Ｍ 7/48 Ｒ

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 電解質層を挟んで対向配置された燃料極
   および酸化剤極に燃料ガスおよび酸化剤ガスを供給し、
   電気化学的反応を利用して発電を行ない前記各電極間か
   ら直流電力を取り出す燃料電池と、 出力側が系統連系用遮断器および補機切離用遮断器を直
   列に介して交流電源に接続され、前記燃料電池から出力
   される直流電力を交流に変換するインバータと、 前記系統連系用遮断器と補機切離用遮断器との連系点に
   接続された補機と、 出力電力基準をランプ状にして出力する電力基準発生回
   路、前記電力基準発生回路からの出力に基づいて前記イ
   ンバータの出力電力を制御する出力電力制御回路、出力
   電圧基準を出力する出力電圧基準発生回路、前記出力電
   圧基準発生回路からの出力に基づいて前記インバータの
   出力電圧を制御する出力電圧制御回路、前記出力電力制
   御回路からの出力と前記出力電圧制御回路からの出力と
   を切り換える切換回路、および前記切換回路からの出力
   に基づいて前記インバータの出力を制御するゲート制御
   回路を有するインバータ制御回路とを備えて構成され、 前記燃料電池の停止中は、前記補機切離用遮断器を閉じ
   ると共に系統連系用遮断器を開いて、前記交流電源から
   補機へ電力を供給し、 前記燃料電池の発電開始時には、前記切換回路により出
   力電圧制御回路からの出力に切り換えてインバータ電圧
   をソフトスタートさせ、当該インバータ出力電圧が確立
   した時点で前記系統連系用遮断器を閉じると共に前記切
   換回路により出力電力制御回路からの出力に切り換えて
   連系運転を開始し、前記電力基準発生回路からランプ状
   の指令値を出力することで、燃料電池の出力電力を定格
   値まで立ち上げるようにしたことを特徴とする燃料電池
   用系統連系電力変換装置の制御方法。
2. 【請求項２】 前記請求項１に記載の燃料電池用系統連
   系電力変換装置の制御方法において、 前記電力基準発生回路に、当該電力基準発生回路からの
   出力を一定値以上の傾きで変化させるリミッタを備え、 燃料電池の発電開始時の出力電力の変化率を一定値以内
   に抑えるように起動するようにしたことを特徴とする燃
   料電池用系統連系電力変換装置の制御方法。
3. 【請求項３】 前記請求項１に記載の燃料電池用系統連
   系電力変換装置の制御方法において、 前記電力基準発生回路に、当該電力基準発生回路からの
   出力を一定の傾きの範囲内で変化させるリミッタを備
   え、 燃料電池の発電開始時の出力電力の変化率を燃料電池の
   プロセスの反応特性に合致させて制限するようにしたこ
   とを特徴とする燃料電池用系統連系電力変換装置の制御
   方法。
4. 【請求項４】 前記請求項１に記載の燃料電池用系統連
   系電力変換装置の制御方法において、 前記系統連系用遮断器と補機切離用遮断器との連系点に
   自立負荷接続用遮断器を介して接続された自立負荷を備
   え、 系統停電時には、前記補機切離用遮断器を開くと共に前
   記系統連系用遮断器および自立負荷接続用遮断器を閉じ
   た状態で、前記切換回路により出力電力制御回路から出
   力電圧制御回路からの出力に切り換えて、インバータか
   ら自立負荷へ電力を供給し続けるようにしたことを特徴
   とする燃料電池用系統連系電力変換装置の制御方法。
5. 【請求項５】 前記請求項４に記載の燃料電池用系統連
   系電力変換装置の制御方法において、 前記燃料電池と並列にバッテリ接続スイッチを介して接
   続されたバックアップ用のバッテリを備え、 前記自立負荷運転時の出力電力急変時には、前記バッテ
   リ接続スイッチを閉じてバッテリからインバータへ電力
   を供給して、自立負荷運転時の負荷急変による出力電力
   の急変をバッテリに蓄えた電力により補償するようにし
   たことを特徴とする燃料電池用系統連系電力変換装置の
   制御方法。
6. 【請求項６】 電解質層を挟んで対向配置された燃料極
   および酸化剤極に燃料ガスおよび酸化剤ガスを供給し、
   電気化学的反応を利用して発電を行ない前記各電極間か
   ら直流電力を取り出す燃料電池と、 出力側が系統連系用遮断器を介して交流電源に接続さ
   れ、前記燃料電池から出力される直流電力を交流に変換
   するインバータと、 入力側がトランスファスイッチを介して、前記インバー
   タの出力側または前記交流電源に接続された補機と、 出力電力基準をランプ状にして出力する電力基準発生回
   路、前記電力基準発生回路からの出力に基づいて前記イ
   ンバータの出力電力を制御する出力電力制御回路、出力
   電圧基準を出力する出力電圧基準発生回路、前記出力電
   圧基準発生回路からの出力に基づいて前記インバータの
   出力電圧を制御する出力電圧制御回路、前記出力電力制
   御回路からの出力と前記出力電圧制御回路からの出力と
   を切り換える切換回路、および前記切換回路からの出力
   に基づいて前記インバータの出力を制御するゲート制御
   回路を有するインバータ制御回路と、 前記燃料電池と並列に、バッテリ接続スイッチを介して
   接続されたバックアップ用のバッテリとを備えて構成さ
   れ、 前記燃料電池の停止中は、前記トランスファスイッチを
   交流電源側に切り換えて前記交流電源から補機へ電力を
   供給し、 前記燃料電池の発電開始時には、前記インバータを起動
   して定格電圧を出力させると共に、前記トランスファス
   イッチをインバータ側に切り換え、補機電力がインバー
   タにかかった時点で前記バッテリ接続スイッチを閉じて
   バッテリから補機へ電力を供給し、さらに前記系統連系
   用遮断器を閉じると共に、前記切換回路により出力電圧
   制御回路から出力電力制御回路からの出力に切り換え
   て、燃料電池のプロセスの反応特性によって決まるラン
   プレートにより燃料電池の出力電力を定格値まで変化さ
   せて、燃料電池発電開始時のトランスファスイッチの切
   り換えによる出力電力の急変をバッテリに蓄えた電力に
   より補償するようにしたことを特徴とする燃料電池用系
   統連系電力変換装置の制御方法。