JPS6180316A

JPS6180316A - 燃料電池用電力変換装置

Info

Publication number: JPS6180316A
Application number: JP59202705A
Authority: JP
Inventors: Takashi Amamiya; 隆雨宮
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1984-09-27
Filing date: 1984-09-27
Publication date: 1986-04-23

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】し発明の技術分野］本発明は燃料電池において、特に燃利電池スタッりから
の直流出力を交流に変換して出力する燃料電池用電力変
換装置の改良に関する。

［発明の技術的背景とその問題点］近年、電力需要の増加を賄うために、水力発電所、火力
発電所および原子力発電所の建設に加えて、燃料の有し
ているエネルギーを直接電気的エネルギーに変換する燃
料電池を用いた発電所建設の構想が進められてきている
。この燃料電池は通常、電解質層を挟んで燃料極および
酸化剤極（以下、空気極と称する）の一対の電極を配置
して成る電池セルを複数個積層して燃料電池スタックを
構成し、燃料極の背面に水素等の燃料を接触させると共
に空気極の背面に空気等の酸化剤を接触させ、このとき
起こる電気化学的反応を利用して上記一対の電極間から
電気エネルギーを取り出すもので、上記燃料と酸化剤が
供給されている限り高い変換効率で電気エネルギーを取
出すことができるものである。そして実際の燃料電池発
電所は、上述した燃料電池スタックと、天然ガスあるい
は石炭ガスなどの炭化水素系原料ガスを水素主成分の電
池用燃料に改質する燃料改質装置と、燃料電池スタック
からの直流出力を交流に変換して外部の交流系統へ供給
する電力変換装置を主要な構成要素とし、この他に制御
装置、水処理装置、排熱回収装置等を備えて構成される
。

さて、この種の燃料電池発電所における主要構成要素の
うち電力変換装置の主体は直交変換回路（以下、インバ
ータ回路と称する）であるが、発電開始時の電池電圧立
上り特性を抑制してインバータ回路の起動特性に整合さ
せるために、初期投入抵抗（以下、プリロードと称する
）を備えることが提案されてきている。しかし、このよ
うなプリロードを備えた燃料電池用電力変換装置におい
て、プリロードは通常インバータ回路起動直前の短い期
間投入されるが、その抵抗容量としてはインバータ回路
の運転電圧範囲内で電池の最小定格運転特性を満たす必
要があることから、インバータ全容量の２０％〜３０％
を必要とする場合もあり、プリロードの大容量化に伴っ
て装置が大形化するだけでなくコスト的にも問題がある
。また、プリロードの投入期間をできる限り短くするた
めには、燃料電池スタックに対し空気を急速に流入させ
て直流出力電圧を急勾配で立上げるようにすればよいが
、この場合には空気流量制御および電池極間差圧制御が
非常に複雑になるという問題が生じる。

そこで本発明者は、上記燃料電池スタック出力回路と並
列に補助電源回路を設けて、その出力を上記インバータ
回路の入力側へその駆動用補助電源として供給すること
を開発した。この補助電源回路は、直流定電圧電源に逆
導通阻止機能を付加したものであり、この場合には燃料
電池スタック出力回路にもやはり逆導通阻止機能を有す
る素子（例えばダイオード素子）を直列に挿入して、補
助電源回路側からの逆流を防止するものである。

しかし、このような補助電源回路を備えた燃料電池用電
力変換装置においては、発電運転時に回路に直列に設け
られたダイオード素子前後で電圧降下を生じることから
、燃料電池スタック出力側の直流出力に対しインバータ
回路出力側の交流出力の変換効率が低下するという問題
が生じる。

［発明の目的］本発明は上記のような問題を解決するために成されたも
ので、その目的は装置を大形とすることなくかつ空気流
量制御および電池極間差圧制御を複雑にすることなくし
かも電池出力の変換効率を低下させることなく電池電圧
立ち上がり特性を抑制して安定したインバータ回路の起
動を行なうことが可能な安価で信頼性の高い燃料電池用
電力変換装置を提供することにある。

［発明の概要］上記目的を達成するために本発明では、電解質層を挟ん
で燃料極および酸化剤極の一対の電極を配置して成る電
池セルを複数個積層して成り、かつ上記燃料極に燃料を
接触させると共に酸化剤極に酸化剤を接触さゼてこのと
き起こる電気化学的反応を利用して上記電極間から直流
出力を取り出す燃料電池スタックからの直流出力を交流
に変換する直交変換回路と、上記直交変換回路の出力側
に接続される交流系統またはこれとは別系統の所−〇− 内電源から直流出力を得てこれを上記直交変換回路の入
力側へその駆動用補助電源として供給する補助電源回路
と、主回路の開閉機能ならびに逆導通阻止機能を有しか
つ上記燃料電池スタックと直交変換回路との間に設けら
れた回路要素と、回路の開閉機能を有しかつ上記補助電
源回路に設けられたスイッチング要素と、上記回路要素
と並列に設けられたバイパススイッチと、上記燃料電池
スタックの出力電圧を検出する電圧検出器と、上記電圧
検出器より得られる電圧レベルを基準電圧レベルと比較
しその比較結果に応じて上記直交変換回路の運転指令を
基に上記回路要素、スイッチング要素、バイパススイッ
チの開閉動作を制御する制御回路とを具備して成り、電
池起動時、安定出力運転時および電池出力停止時の各ケ
ースにおいて夫々最適な出力回路構成をとるようにした
ことを特徴とする。

［発明の実施例］以下、本発明を図面に示す一実施例について説明する。

第１図は、本発明による燃料電池用電力変換装置の構成
例を示したものである。図において、燃料電池スタック
１にはその燃料極に燃料２がまた空気極に空気３が夫々
供給され、電気化学的反応により直流出力が得られる。

また、この燃料電池スタック１の出力側４には保全用抵
抗器５およびこれを入切するスイッチ６が直列に接続さ
れ、かつこの直列回路と並列に主回路の開閉機能を有す
るスイッチ７および逆導通阻止機能を有するダイオード
素子８を直列に介してインバータ回路９の入力側が接続
されている。そして、このインバータ回路９で上記直流
出力を交流に変換して、この交流出力が出力用変圧器１
０および交流しゃ断器１１を介して外部の交流系統１２
へ供給される。一方、上記インバータ回路９の出力側に
接続される交流系統１２とは別系統の所内電源１３から
直流出力を得、かつこれを上記インバータ回路９の入力
側へその駆動用補助電源として供給する小容量の補助電
源回路１４が備えられている。ここで補助電源回路１４
は、回路の開閉機能を有するスイッチ１５、変圧器１６
を介して導入される所内型８ｉ１３の出力を整流回路１
７で整流して直流出力を得るように構成されている。そ
してこの補助電源回路１４の出力容量は、インバータ回
路９を単独で駆動するための最小容量（具体的にはイン
バータ回路９の無負荷運転時損失分）としている。なお
、回路構成によっては変圧器１６を省略することができ
る。また、上記スイッチ７およびダイオード素子８の直
列回路と並列に当該回路を短絡可能なようにバイパスス
イッチ１８が設けられ、さらに上記燃料電池スタック１
の出力側４にはその直流出力電圧Ｖ　ｓｔｋを検出する
電圧検出器１９が設けられている。さらに、２０は上記
電圧検出器１９より得られる電圧レベルＶ　Ｓｔｋを基
準電圧レベルＶｒと比較し、その比較結果に応じて上記
インバータ回路９の運転指令２１を基に上記各スイッチ
７および１５．バイパススイッチ１８の開閉動作のタイ
ミングをそれぞれ制御する制御回路である。

かかる燃料電池用電力変換装置におけるインバータ回路
９の運転は、発電運転シーケンスに従って次のように行
なわれる。

まず発電運転以前の段階では、各スイッチ７および１５
．バイパススイッチ１８は全て開状態にあり、燃料電池
スタック１の出力側は開放ないしは保全用抵抗器５で終
端されインバータ回路９の運転は停止している。つぎに
発電運転直前の準備状態に至ると、運転指令２１によっ
て補助電源回路１４のスイッチ１５が開となる。これに
より、補助電源回路１４の電圧出力が基準電圧レベルＶ
ｒでインバータ回路９に供給されてインバータ回路９が
起動される。

さて以上の状況において、燃料電池スタック１に対しそ
の燃料極に必要な一定量の燃料２の供給に引き続いて空
気３の供給を開始すると、燃料電池スタック１の直流出
力電圧がＶ　ｓｔｋが−Ｆ貸し始める。そして、この電
圧Ｖｓｔｋは電圧検出器１９により検出されて制御回路
２０に入力され、回路内部に予め記憶されている補助Ｉ
ｍ回路１４電圧レベルＶｒと電圧レベル比較を行なうこ
とにより、燃料電池スタック１の直流出力電圧レベルＶ
　Ｓｔｋが基準電圧レベルＶｒに達する以前にスイッチ
７が閉制御される。但し、ＶＳｔｋ＜Ｖｒであればダイ
オード素子８の逆導通阻止機能により、燃料電池スタッ
ク１側に補助電源回路１４より電流が逆流することはな
い。つぎに、さらに燃料電池スタック１の直流出力電圧
Ｖ　ｓｔｋが上昇して基準電圧レベル■ｒを瞬時的に超
えると、ダイオード素子８は正方向に導通して燃料電池
スタック１の出力電流１　ｓｔｋをインバータ回路９に
与える。そして、この燃料電池スタック１側出力で分担
した電流分だけ、補助電源回路１４側からの供給電流は
減少することになる。また、燃料電池スタック１出力端
電圧は電流を取ると瞬時的に低下することから、燃料電
池スタック１側よりインバータ回路９に与えられる電流
波形は連続パルス状となる。その後、燃料電池スタック
１に対する空気３の供給流量が十分立ち上った状態では
、直流出力電圧Ｖ　ｓｔｋが連続して基準電圧レベルＶ
ｒよりも大きい値となるので、インバータ回路９入力端
子の全ては燃料電池スタック１より供給されることにな
る。この時点でスイッチ１５を開制御すれば、回路条件
に変化は生じない。つぎに、スイッチ１５の開に引き続
いてバイパススイッチ１８を閉制御する。これにより、
これ以後燃料電池スタック１の出力が増加してもダイオ
ード素子８は短絡されて正方向の電圧降下を生じないの
で、このバイパススイッチ１８が設けられていない場合
に比べて電力損失を低減することができる。第２図（ａ
）（ｂ）（Ｃ）は、上述の如き空気３供給流量の上昇に
伴う燃料電池スタック１の直流出力電圧Ｖ　ｓｔｋと直
流出力電流１　ｓｔｋの時間的変化の関係を示したもの
である。第２図（Ｃ）によれば、直流出力電流ｌ　ｓｔ
ｋは平均値的には緩やかに上昇していくことが明らかで
ある。もし、補助電源回路１４を適用せずに燃料電池ス
タック１出力を直接インバータ回路９に投入するのであ
れば、直流出力電圧■ｓｔｋの急変と直流出力電流１　
ｓｔｋの突流を伴い、インバータ回路９を安定に起動す
ることができないのが一般的であるが、第２図に示す直
流出力電圧Ｖ　５ｔｋ−直流出力電流ｌ５ｔｋ特性の緩
やかな変化の実現により、この点が改善されると同時に
燃料電池スタック１への燃料２流量・圧力などのプロセ
ス量制御にとっても好ましいものとなる。

一方定常発電運転中は、スイッチ７およびバイパススイ
ッチ１８が開状態、スイッチ１５が開状態となっている
。かかる状態から、今度は運転指令２１に従って発電運
転を停止する場合は次のようになる。この場合は、上述
した起動時の過程と逆過程をたどることになる。すなわ
ち、交流系統負荷発電中における燃料電池スタック１の
直流出力電圧Ｖ　ｓｔｋは、直流出力電流ｌ５ｔｋに対
する垂下特性により起動時に比べて低いレベルを示して
いる。具体的には、直流出力電圧Ｖ　ｓｔｋは前述した
基準電圧レベルＶｒよりも小さい値となっている。運転
指令２１に基づいて負荷指令値を絞っていくと、直流出
力電流１　ｓｔｋの減少に伴って直流出力電圧Ｖ　Ｓｔ
ｋは上饗していく。そして、直流出力電圧Ｖ　ｓｔｋが
基準電圧レベルＶｒを超えて完全にｙｓｔｋ＞ｖｒが満
たされる点において、制御回路２０からの指令によりバ
イパススイッチ１８を開としてダイオード素子８を導通
させる。続いてスイッチ１５を閉とするが、ダイオード
素子８の逆導通阻止機能によって回路電流分布に変化は
なく、インバータ回路９入力端子の全ては燃料電池スタ
ック１より供給されている。そして、この時点から燃料
電池スタック１に対する空気３の流量を絞っていくと、
直流出力電圧Ｖ　ｓｔｋは徐々に下降する。この中途段
階において、直流出力電圧■Ｓｔｋが基準電圧レベルＶ
ｒを瞬時的に下回ると、補助電源回路１４側からの出力
電流をインバータ回路９に与え始める。これにより、燃
料電池スタック１出力端電流の分担がこの分減少して瞬
時的に直流出力電圧Ｖ　ｓｔｋが上昇することから、燃
料電池スタック１側よりインバータ回路９に与えられる
電流波形は連続パルス状となる。そして、この段階を経
て直流出力電圧Ｖ　ｓｔｋが連続的に基準電圧レベルＶ
ｒよりも小さな値となった時点でスイッチ７を開制御す
ることにより、燃料電池スタック１は完全に切離されて
停止する。一方、インバータ回路９は補助電源回路１４
により無負荷運転生であるので、この後スイッチ１５を
開とすることによりインバータ回路９が停止する。以上
のようにして、燃料電池スタック１出力回路の運転が停
止する。第３図（ａ）（ｂ）（ｃ）は、上述の如き空気
３供給流聞の減少に伴う燃料電池スタック１の直流出力
電圧Ｖ　ｓｔｋと直流出力電流（Ｓｔｋの時間的変化の
関係を示したものである。第３図（Ｃ）によれば、直流
出力電流１　ｓｔｋは平均値的には緩やかに不時してい
くことが明らかである。

上述したように本実施例の燃料電池用電力変換装置にお
いては、従来必要であった大容量のプリロードを使用せ
ず、小容量の補助電源回路１４をインバータ回路９の駆
動用補助電源つまり無負荷起動用に用いるようにしたの
で、装置が大形化するようなことがなくかつこれに伴っ
てコストダウンを図ることができる。また従来のプリロ
ードを用いた装置では、プリロードの投入時間を短く保
つために燃料電池スタック１への空気３の供給流量を急
激に立上げる必要があったが、本構成のものではこの必
要がないことから空気３供給流量制御および電池極間差
圧制御を容易に行なうことができ制御論理上極めて有効
的である。さらに本装置構成によれば、プリロード投入
時の電池出力電流の急変も生じることがなく平均値的に
ゆっくりと出力電流１　ｓｔｋが立上るので、プロセス
排気流量および圧力が急変することなく制御上有効的で
ある。一方、インバータ回路９の出力側に接続される交
流系統１２とは別系統の所内電源１３から直流出力を得
てこれをインバータ回路９の入力側へその駆動用補助電
源として供給する補助電源回路を設け、かつ主回路の開
閉機能ならびに逆導通阻止機能を有し燃料電池スタック
１とインバータ回路９との間に設けられたスイッチ７お
よびダイオード素子８と並列にバイパススイッチ１８を
設けると同時に、回路の開閉機能を有し上記補助電源回
路１４に設けられたスイッチ１５およびバイパススイッ
チ１８の開閉制御を、燃料電池スタック１の出力電圧レ
ベルに応じて運転指令２１を基に行なうようにしたので
、電池起動時および電池出力停止時に電池特性の緩やか
な起動・停止変化を実現することができ、かつインバー
タ回路９の起動・運転を安定して行なうことが可能であ
る。

さらに、発電運転中は出力回路のダイオード素子８をバ
イパススイッチ１８で短絡することにより、損失の少な
い電力変換を行なって効率を高めることができる。

尚、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、次
のようにしても同様に実施することができるものである
。

（ａ）上記では、回路要素として主回路の開閉機能機能
を有するスイッチ７、および逆導通阻止機能を有し回路
に直列に挿入されたダイオード素子８から構成したが、
これに限らず第４図に示すように主回路の開閉機能なら
びに逆導通阻止機能を有するサイリスタ素子２２、ある
いはＧＴＯ等の半導体スイッチを用いて構成するように
してもよいものである。

（ｂ）上記においては、補助電源回路１４の電源入力を
所内電源１３から得るようにしたが、前記インバータ回
路９の出力側に接続される交流系統１２から得るように
してもよいものである。

（Ｃ）補助電源回路は、２次電池電源で代用するように
してもよいものである。

（ｄ）補助電源回路整流回路１７としては、単なる整流
回路でなく補助電源回路出力の電圧あるいは電力レベル
を制御可能な、例えばサイリスタなどの制御整流素子を
適用することもできる。

（ｅ）上記において、保全用抵抗器５は省略することも
可能である。

（ｆ）上記においてインバータ回路９は無負荷起動とし
たが、小負荷を送電状態にして燃料電池スタック１の発
電を開始するようにしてもよい。

（Ｑ）上記実施例では、スイッチ１５を整流回路１７の
電源側に設けたが、出力側に設けるようにしてもよいこ
とはもちろんである。

その他、本発明はその要旨を変更しない範囲で種々に変
形して実施することができるものである。

［発明の効果］以上説明したように本発明によれば、電解質層を挟んで
燃Ｆ４極および酸化剤極の一対の電極を配置して成る電
池セルを複数個積層して成り、かつ上記燃料極に燃料を
接触させると共に酸化剤極に酸化剤を接触させてこのと
き起こる電気化学的反応を利用して上記電極間から直流
出力を取り出す燃料電池スタックからの直流出力を交流
に変換する直交変換回路と、上記直交変換回路の出力側
に接続される交流系統またはこれとは別系統の所内電源
から直流出力を得てこれを上記直交変換回路の入力側へ
その駆動用補助電源として供給する補助電源回路と、主
回路の開閉機能ならびに逆導通阻止機能を有しかつ上記
燃料電池スタックと直交変換回路との間に設けられた回
路要素と、回路の開閉機能を有しかつ上記補助電源回路
に設けられたスイッチング要素と、上記回路要素と並列
に設けられたバイパススイッチと、上記燃料電池スタッ
クの出力型バを検出する電圧検出器と、上記電圧検出器
より得られる電圧レベルを基準電圧レベルと比較しその
比較結果に応じて上記直交変換回路の運転指令を基に上
記回路要素、スイッチング要素、バイパススイッチの開
閉動作を制御する制御回路とを備えて構成するようにし
たので、装置を大形とすることなくかつ空気流量制御お
よび電池極間差圧制御を複雑にすることなくしかも電池
出力の変換効率を低下させることなく電池電圧立ち上が
り特性を抑制して安定したインバータ回路の起動を行な
うことが可能な安価で信頼性の高い燃料電池用電力変換
装置が提供できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す構成図、第２図（ａ）
〜（Ｃ）及び第３図（ａ）〜（ｃ、）は空気供給流邑の
上昇及び減少に伴う電池直流出力電圧と直流出力電流の
時間的変化の関係をそれぞれ示す図、第４図は本発明の
他の実施例を示す構成図である。　（１・・・燃料電池スタック、２・・・燃料、３・・・空
気、４む一燃料電池スタック出力側、５・・・保全用抵
抗器、６・・・保全用抵抗器用スイッチ、７．１５・・
・スイッチ、８・・・ダイオード素子、９・・・インバ
ータ回路、１０・・・出力用変圧器、１１・・・交流し
ゃ断器、１２・・・交流系統、１３・・・所内電源、１
４・・・補助電源回路、１６・・・変圧器、１７・・・
整流回路、１８・・・バイパススイッチ、１９・・・電
圧検出器、２０・・・制御回路、２１・・・運転指令、
２２・・・サイリスタ素子。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）電解質層を挟んで燃料極および酸化剤極の一対の
電極を配置して成る電池セルを複数個積層して成り、か
つ前記燃料極に燃料を接触させると共に酸化剤極に酸化
剤を接触させてこのとき起こる電気化学的反応を利用し
て前記電極間から直流出力を取り出す燃料電池スタック
からの直流出力を交流に変換する直交変換回路と、前記
直交変換回路の出力側に接続される交流系統またはこれ
とは別系統の所内電源から直流出力を得てこれを前記直
交変換回路の入力側へその駆動用補助電源として供給す
る補助電源回路と、主回路の開閉機能ならびに逆導通阻
止機能を有しかつ前記燃料電池スタックと直交変換回路
との間に設けられた回路要素と、回路の開閉機能を有し
かつ前記補助電源回路に設けられたスイッチング要素と
、前記回路要素と並列に設けられたバイパススイッチと
、前記燃料電池スタックの出力電圧を検出する電圧検出
器と、前記電圧検出器より得られる電圧レベルを基準電
圧レベルと比較しその比較結果に応じて前記直交変換回
路の運転指令を基に前記回路要素、スイッチング要素、
バイパススイッチの開閉動作を制御する制御回路とを具
備して成ることを特徴とする燃料電池用電力変換装置。
（２）回路要素としては、主回路の開閉機能ならびに逆
導通阻止機能を有するサイリスタ素子またはＧＴＯ素子
を用いるようにしたことを特徴とする特許請求の範囲第
（１）項記載の燃料電池用電力変換装置。
（３）回路要素としては、主回路の開閉機能を有するス
イッチ、および逆導通阻止機能を有し回路に直列に挿入
されたダイオード素子から構成するようにしたことを特
徴とする特許請求の範囲第（１）項記載の燃料電池用電
力変換装置。