JPWO2011099280A1 - 電力変換装置及びそれを備える燃料電池システム - Google Patents

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Abstract

本発明の電力変換装置は、発電装置（１）が発電した直流電力を交流電力に変換する電力変換装置であって、発電装置（１）の出力電圧を昇圧する昇圧コンバータ回路（３）と、昇圧コンバータ回路（３）の出力電圧を交流電力に変換して系統（２）に連系するインバータ回路（５）と、昇圧コンバータ回路（３）の出力電力を電力変換して内部負荷（６０）に供給する降圧コンバータ回路（８）と、制御器（９）と、を備え、制御器（９）は、発電装置（１）の出力電力を昇圧コンバータ回路（３）及び降圧コンバータ回路（８）を介して内部負荷（６０）に供給する場合は、昇圧コンバータ回路（３）の出力電圧を系統（２）の交流電圧の最大値より低い電圧値である第２電圧値以下にするように構成されている。

Description

本発明は、発電装置により発電した直流電力を商用電力系統に連系可能な交流電力に変換して外部負荷に電力供給する電力変換装置及びそれを備える燃料電池システムに関するものである。
燃料電池システムは、燃料電池で発電された電力を、例えば、家庭の電力負荷に供給するように構成されている。このような燃料電池システムは、燃料電池と商用電力系統と系統連系されている。
ところで、燃料電池システムにおいては、燃料電池で発電された余剰電力が系統電力に流れ込まないように制御されている。具体的には、燃料電池で発電された余剰電力を内部負荷（電気ヒータ）で処理する燃料電池システムが知られている（例えば、特許文献１乃至３参照）。
図４は、特許文献１に開示されている燃料電池システムの概略構成を模式的に示すブロック図である。
図４に示すように、特許文献１に開示されている燃料電池システムは、商用電力系統１６７に連系して運転される燃料電池１０６と、電気ヒータ１５３と、ヒータ制御器１５４と、を備えていて、燃料電池１０６において発生する余剰電力を電気ヒータ１５３に通電するように構成されている。そして、この電気ヒータ１５３への通電量はスイッチング素子を用いてヒータ制御器１５４が調整している。
特開２００４−２１３９８５号公報 特開２００１−６８１２５号公報 特開昭６０−１１７５６４号公報
しかしながら、特許文献１に開示されている燃料電池システムでは、商用電力系統１６７が瞬時的に停電した場合や商用電力系統１６７が工事で短時間開放された場合等に、燃料電池１０６で発電された直流電力を一時的に電気ヒータ１５３に通電して、消費させる。このため、スイッチング素子にかかる負担が大きくなり、スイッチング素子が発熱するので、スイッチング素子を放熱する為に、大型の放熱フィンが必要となる。したがって、上記特許文献１に開示されている燃料電池システムでは、システムが大型になり、コストが上昇する等の問題があった。
本発明は、上記従来の課題を解決するもので、系統が瞬時的に停電した場合等、系統に逆潮流が生じるおそれがある場合に、電気ヒータ等の内部負荷に発電装置が発電した直流電力を一時的に流すときに、降圧コンバータ回路にかかる負担を抑制することができる電力変換装置及びそれを備える燃料電池システムを提供することを目的とする。
上記目的を達成するために、本発明に係る電力変換装置は、発電装置が発電した直流電力を交流電力に変換する電力変換装置であって、前記発電装置の出力電圧を昇圧する昇圧コンバータ回路と、前記昇圧コンバータ回路の出力電圧を交流電力に変換して系統に連系するインバータ回路と、前記昇圧コンバータ回路の出力電力を電力変換して内部負荷に供給する降圧コンバータ回路と、制御器と、を備え、前記制御器は、前記発電装置の出力電力を前記昇圧コンバータ回路及び前記インバータ回路を介して前記系統に連系する場合は、前記昇圧コンバータ回路の出力電圧を系統の交流電圧の最大値より高い電圧値である第１電圧値以上にし、前記発電装置の出力電力を前記昇圧コンバータ回路及び前記降圧コンバータ回路を介して前記内部負荷に供給する場合は、前記昇圧コンバータ回路の出力電圧を系統の交流電圧の最大値より低い電圧値である第２電圧値以下にするように構成されている。
これにより、系統に逆潮流が生じるおそれがある場合に、電気ヒータ等の内部負荷に発電装置が発電した直流電力を一時的に流すときに、降圧コンバータ回路にかかる負担を抑制することができる。このため、降圧コンバータ回路のパワー・スイッチング素子を放熱する為に大型の放熱フィンを必要としないため、電力変換装置の大きさを小型化することができ、安価にすることができる。
本発明の上記目的、他の目的、特徴、及び利点は、添付図面参照の下、以下の好適な実施形態の詳細な説明から明らかにされる。
本発明に係る電力変換装置及びそれを備える燃料電池システムは、電気ヒータ等の内部負荷に発電装置が発電した直流電力を一時的に流すときに、降圧コンバータ回路にかかる負担を抑制することが可能となる。このため、本発明に係る電力変換装置及びそれを備える燃料電池システムでは、電力変換装置の大きさを小型化することができ、安価にすることができる。
図１は、本発明の実施の形態１に係る電力変換装置及びそれを備える燃料電池システムの概略構成を示す模式図である。 図２は、本発明の実施の形態２に係る電力変換装置及びそれを備える燃料電池システムの概略構成を示す模式図である。 図３は、本発明の実施の形態３に係る燃料電池システムの概略構成を模式的に示すブロック図である。 図４は、特許文献１に開示されている燃料電池システムの概略構成を模式的に示すブロック図である。
以下、本発明の好ましい実施の形態を、図面を参照しながら説明する。なお、全ての図面において、同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明は省略する。また、全ての図面において、本発明を説明するために必要となる構成要素のみを抜粋して図示しており、その他の構成要素については図示を省略している。さらに、本発明は以下の実施の形態に限定されない。
（実施の形態１）
本発明の実施の形態１に係る電力変換装置は、発電装置が発電した直流電力を交流電力に変換する電力変換装置であって、発電装置の出力電圧を昇圧する昇圧コンバータ回路と、昇圧コンバータ回路の出力電圧を交流電力に変換して系統に連系するインバータ回路と、昇圧コンバータ回路の出力電力を電力変換して内部負荷に供給する降圧コンバータ回路と、制御器と、を備え、制御器は、発電装置の出力電力を昇圧コンバータ回路及びインバータ回路を介して系統に連系する場合は、昇圧コンバータ回路の出力電圧を系統の交流電圧の最大値より高い電圧値である第１電圧値以上にし、発電装置の出力電力を昇圧コンバータ回路及び降圧コンバータ回路を介して内部負荷に供給する場合は、昇圧コンバータ回路の出力電圧を系統の交流電圧の最大値より低い電圧値である第２電圧値以下にするように構成されている態様を例示するものである。
ここで、系統の交流電圧の最大値は、電力変換装置が設置される地域によって異なる。系統の交流電圧の最大値としては、例えば、１００Ｖ〜６７２Ｖが挙げられる。
なお、以下の説明においては、発電装置が、燃料電池である場合について説明する。しかしながら、本発明においては、発電装置は、燃料電池に限定されず、直流電力を発電するものであれば、例えば、ガスタービンやガスエンジン等の発電機を用いてもよい。
［電力変換装置の構成］
図１は、本発明の実施の形態１に係る電力変換装置及びそれを備える燃料電池システムの概略構成を示す模式図である。
図１に示すように、本発明の実施の形態１に係る燃料電池システム２００は、電力変換装置１００と燃料電池本体１を備えている。そして、本実施の形態１に係る電力変換装置１００は、水素を主体とする燃料ガスと酸素とから直流電圧を発電する燃料電池本体１からなる直流電源（発電装置）から直流電力が入力され、５０Ｈｚまたは６０Ｈｚに変換して、外部負荷を介して、家庭内の電気機器などの外部負荷に交流電力を供給している。
本実施の形態１に係る電力変換装置１００は、燃料電池本体１からの入力電圧Ｖｉｎを昇圧する昇圧コンバータ回路３と、昇圧された電圧の高周波成分を除去するコンデンサ４と、出力電流を正弦波に波形成形するインバータ回路５と、インバータ回路５の出力から高周波ノイズを除去するフィルタ６と、インバータ回路５の出力電力を系統２に連系するときに閉じインバータ回路５の出力電力を系統２に連系させない時に開く解列機構７とを備え、系統２に接続されている。
昇圧コンバータ回路３は、入力電圧を平滑する平滑コンデンサ３１、パワー・スイッチング素子Ｑ３３〜Ｑ３６を４石使用したＨブリッジ構成のコンバータ回路３２と、コンバータ回路３２の出力に一次側を接続された高周波昇圧トランス３７と、高周波昇圧トランス３７の二次側に接続された整流回路３８で構成されている。
インバータ回路５は、パワー・スイッチング素子Ｑ３９〜Ｑ４２の４石を使用してＨブリッジ回路を構成し、その出力をフィルタ６と解列機構７を介して系統２に接続されている。
さらに、昇圧コンバータ回路３の出力には、降圧コンバータ回路８が接続されている。降圧コンバータ回路８の入力はパワー・スイッチング素子Ｑ４３の入力が接続され、降圧コンバータ回路８の出力はパワー・スイッチング素子Ｑ４３の出力が接続され、降圧コンバータ回路８の出力は電気ヒータ（内部負荷）６０に接続されている。
また、昇圧コンバータ回路３、インバータ回路５、及び降圧コンバータ回路８に用いられている、各パワー・スイッチング素子は、例えば、ＳｉＣ、ＧａＮ、ＳｉＧｅを構成材料として使用することができ、また、ＭＯＳＦＥＴ、ＩＧＢＴまたはトランジスタなどで構成することができる。
電気ヒータ（内部負荷）６０は、系統２が瞬時的に停電した場合、もしくは、系統２が工事で短時間開放された時などに、燃料電池本体１からなる直流電源から発電される直流電力を一時的に消費させる電力負荷である。
制御器９は、昇圧コンバータ回路３の出力電力を電力変換して電気ヒータ（内部負荷）６０に供給する降圧コンバータ回路８と、インバータ回路５の出力に系統から電力が逆流しないように昇圧コンバータ回路３とインバータ回路５と解列機構７と降圧コンバータ回路８を制御する。
そして、制御器９は、インバータ回路５の出力電力を系統２に連系させている場合には、昇圧コンバータ回路３の出力電圧を系統２の交流電圧の最大値より高い電圧値である、第１の電圧値以上に維持するように、昇圧コンバータ回路３を制御する。また、制御器９は、燃料電池本体１からなる直流電源の出力電力の全てを昇圧コンバータ回路３と降圧コンバータ回路８を介して電気ヒータ（内部負荷）６０で消費させる場合には、昇圧コンバータ回路３の出力電圧を系統２の交流電圧の最大値より低い電圧値である第２電圧値にするように、昇圧コンバータ回路３を制御する。
ここで、第１電圧値は、系統２の交流電圧の最大値より高ければ、任意に設定することができる。第１電圧値としては、例えば、安定して電力を外部負荷に供給する観点から、系統２の交流電圧の最大値に対して、１２５％〜１４５％であることが好ましい。同様に、第２電圧値は、系統２の交流電圧の最大値より低ければ、任意に設定することができる。第２電圧値としては、例えば、降圧コンバータ回路８のパワー・スイッチング素子Ｑ４３にかかる負担を抑制しつつ、電気ヒータ（内部負荷）６０に電力を消費させる観点から、系統２の交流電圧の最大値に対して、３５％〜５５％であることが好ましい。
なお、本発明における内部負荷とは、本発明の電力変換装置が組み込まれたシステム（本実施の形態１においては、燃料電池システム）を構成する機器のうち、電力を消費する機器をいう。また、外部負荷とは、本発明の電力変換装置が組み込まれたシステムを構成する機器以外の電力を消費する機器（例えば、燃料電池システムが設置された家庭で使用される電気機器）をいう。さらに、燃料電池本体１からなる直流電源の出力電力の全てを内部負荷で消費させる場合には、バッテリーに充電する場合も含まれる。
制御器９は、本実施の形態１においては、電力変換装置１００及び燃料電池システム２００のそれぞれを制御するように構成されている。制御器９は、電力変換装置１００及び燃料電池システム２００を構成する各機器を制御する機器であれば、どのような形態であってもよい。制御器９は、マイクロプロセッサ、ＣＰＵ等に例示される演算処理部と、各制御動作を実行するためのプログラムを格納した、メモリ等から構成される記憶部を備えている。そして、制御器９は、演算処理部が、記憶部に格納された所定の制御プログラムを読み出し、これを実行することにより、これらの情報を処理し、かつ、これらの制御を含む電力変換装置１００及び燃料電池システム２００に関する各種の制御を行う。
なお、制御器９は、単独の制御器で構成される形態だけでなく、複数の制御器が協働して電力変換装置１００及び燃料電池システム２００の制御を実行する制御器群で構成される形態であっても構わない。また、制御器９は、マイクロコントロールで構成されていてもよく、ＭＰＵ、ＰＬＣ(Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｌｏｇｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ)、論理回路等によって構成されていてもよい。
このように構成された本実施の形態１に係る電力変換装置１００及びそれを備える燃料電池システム２００では、制御器９が、インバータ回路５の出力電力を系統２に連携させているときには、昇圧コンバータ回路３をその出力電圧が、系統２の交流電圧の最大値よりも高い電圧値である第１電圧値以上になるように制御するように構成されている。このため、本実施の形態１に係る電力変換装置１００及びそれを備える燃料電池システム２００では、安定して、外部負荷に電力を供給することができる。
また、本実施の形態１に係る電力変換装置１００及びそれを備える燃料電池システム２００では、制御器９が、燃料電池本体１の出力電力の全てを電気ヒータ（内部負荷）６０で消費させる場合には、昇圧コンバータ回路３をその出力電圧が、系統２の交流電圧の最大値よりも低い電圧値である第２電圧値以下になるように制御するように構成されている。このため、本実施の形態１に係る電力変換装置１００及びそれを備える燃料電池システム２００では、系統２が瞬時的に停電した場合や系統２が工事で短時間開放された場合等、系統２に逆潮流が生じるおそれがある場合に、燃料電池本体１の出力電力の全てを電気ヒータ（内部負荷）６０で消費させても、昇圧コンバータ回路３のパワー・スイッチング素子Ｑ４３の電力損失を低減することができる。
したがって、本実施の形態１に係る電力変換装置１００及びそれを備える燃料電池システム２００では、降圧コンバータ回路８のパワー・スイッチング素子Ｑ４３を放熱する為に大型の放熱フィンを必要としない。さらに、従来と異なり、燃料電池本体１の出力電力を昇圧コンバータ回路３で第１電圧値以上に上げた後に、降圧コンバータ回路８で電気ヒータ６０の消費電力に対応した値に降圧する必要がないので、出力電力を昇圧及び降圧する際の電力損失を低減させることができる。このため、出力電力を効率よく電気ヒータ６０で熱に変換することができる。これにより、燃料電池システム２００の信頼性を向上させることができ、さらに、電力変換装置１００の大きさを小型化することができ、安価にすることができる。
さらに、本実施の形態１に係る電力変換装置１００及びそれを備える燃料電池システム２００では、制御器９が、昇圧コンバータ回路３の出力電圧を系統２の交流電圧の最大値より低い第２の所定電圧にして、燃料電池本体１の出力電力の全てを昇圧コンバータ回路３と降圧コンバータ回路８を介して、電気ヒータ（内部負荷）６０で消費させる場合に、解列機構７を開くように構成されている。これにより、系統２から電力変換装置１００への電力の逆流を防止することができるので、燃料電池システム２００の信頼性をさらに向上させることができる。
（実施の形態２）
図２は、本発明の実施の形態２に係る電力変換装置及びそれを備える燃料電池システムの概略構成を示す模式図である。
図２に示すように、本発明の実施の形態２に係る電力変換装置１００及びそれを備える燃料電池システム２００は、実施の形態１に係る電力変換装置１００及びそれを備える燃料電池システム２００と基本的構成は同じであるが、昇圧コンバータ回路３とインバータ回路５との間にダイオード１０が配置されている点が異なる。ダイオード１０としては、
例えば、ＳｉＣ、ＧａＮ、ＳｉＧｅが構成材料のものを用いることができる。
このように構成された本実施の形態２に係る電力変換装置１００及びそれを備える燃料電池システム２００であっても、実施の形態１に係る電力変換装置１００及びそれを備える燃料電池システム２００と同様の作用効果を奏する。
また、本実施の形態２に係る電力変換装置１００及びそれを備える燃料電池システム２００では、昇圧コンバータ回路３とインバータ回路５との間にダイオード１０を配置することにより、降圧コンバータ回路８及びインバータ回路５を介して、燃料電池本体１に系統２から電力が逆流しないようにすることができる。
（実施の形態３）
本発明の実施の形態３に係る燃料電池システムは、前記電力変換装置と、燃料電池本体と、燃料電池本体の熱を回収する熱回収水が通流する熱回収水経路と、熱回収水が回収した熱と熱交換する熱媒体が通流する熱媒体経路と、を備え、内部負荷が、凍結予防ヒータ、熱回収水経路を通流する熱回収水を加熱する熱回収水ヒータ、及び熱媒体経路を通流する熱媒体を加熱する熱媒体ヒータのうちの少なくとも一つのヒータである態様を例示するものである。
また、本実施の形態３に係る燃料電池システムでは、原料ガスを改質して燃料電池本体に燃料ガスを供給する水素生成器をさらに備え、内部負荷は、水素生成器に形成されている選択酸化器を加熱する選択酸化ヒータ及び水素生成器に形成されている変成器を加熱する変成ヒータのうちの少なくとも一方のヒータであってもよい。
さらに、本実施の形態３に係る燃料電池システムでは、熱回収水経路に設けられ、熱回収水を通流させるための送出器を備え、内部負荷は、熱回収水経路を加熱する熱回収水ヒータであり、制御器は、燃料電池本体の余剰電力を昇圧コンバータ回路及び降圧コンバータ回路を介して熱回収水ヒータに供給する場合は、熱回収水経路内の水の流速を増加させるように送出器を制御してもよい。
［燃料電池システムの構成］
図３は、本発明の実施の形態３に係る燃料電池システムの概略構成を模式的に示すブロック図である。
図３に示すように、本発明の実施の形態３に係る燃料電池システム２００は、実施の形態１に係る電力変換装置１００、水素生成器１１、酸化剤ガス供給器１２、燃料電池本体１、熱回収水経路１３、熱媒体経路１４、及びポンプ（送出器）１５を備えている。なお、電力変換装置１００の制御器９が、燃料電池システム２００を構成する各機器の制御器を兼ねている。
水素生成器１１は、改質器１６、変成器１７、選択酸化器１８、変成ヒータ１９、及び選択酸化ヒータ２０を有している。水素生成器１１は、燃料電池本体１に燃料ガスをその流量を調整しながら供給するように構成されている。
改質器１６では、原料と水蒸気とを改質反応させることにより、水素含有ガスが生成される。また、変成器１７及び選択酸化器１８では、改質器１６で生成された水素含有ガスを、それぞれシフト反応及び選択酸化反応により、水素含有ガス中の一酸化炭素が１ｐｐｍ程度まで低減した燃料ガスが生成される。生成された燃料ガスは、燃料電池本体１に供給される。なお、改質器１６、変成器１７、及び選択酸化器１８は、一般的な水素生成器１１に設けられている改質器、変成器、及び選択酸化器と同様に構成されているので、その詳細な説明は省略する。
変成ヒータ１９及び選択酸化ヒータ２０は、それぞれ、燃料電池システム２００の起動時（水素生成器１１の起動時）等に、降圧コンバータ回路８から電力が供給されて、変成器１７及び選択酸化器１８を加熱するように構成されている。変成ヒータ１９や選択酸化ヒータ２０としては、電気ヒータを用いることができる。なお、水素生成器１１が、変成器１７や選択酸化器１８を有しない構成である場合には、変成ヒータ１９や選択酸化ヒータ２０は水素生成器１１に設けられなくてもよい。
酸化剤ガス供給器１２は、燃料電池本体１に酸化剤ガス（空気）をその流量を調整しながら供給するように構成されている。酸化剤ガス供給器１２としては、例えば、ファンやブロワ等のファン類を使用することができる。
燃料電池本体１は、アノードとカソードを有している（いずれも図示せず）。燃料電池本体１では、アノードに供給された燃料ガスとカソードに供給された酸化剤ガスとが、反応して電気と熱が発生する。燃料電池本体１としては、高分子電解質形燃料電池や固体酸化物形燃料電池等の各種の燃料電池を用いることができる。なお、燃料電池本体１の構成は、一般的な燃料電池と同様に構成されているため、その詳細な説明は省略する。また、発生した電気は、電力変換装置１００により、外部負荷（例えば、家庭の電気機器）に供給される。
また、燃料電池本体１には、発生した熱を回収する熱回収水が通流する熱回収水流路１Ａが設けられている。熱回収水流路１Ａには、熱回収水経路１３が接続されている。熱回収水経路１３の途中には、熱回収水タンク２１、熱交換器２２、及びポンプ１５が設けられている。
熱回収水タンク２１には、熱回収水ヒータ２３が設けられている。熱回収水ヒータ２３は、降圧コンバータ回路８から電力を供給されて、熱回収水タンク２１内に貯えられた熱回収水を加熱するように構成されている。熱回収水ヒータ２３としては、電気ヒータを用いることができる。なお、本発明においては、熱回収水タンク２１は、熱回収水経路１３の一部とみなされる。
ポンプ１５は、熱回収水流路１Ａ及び熱回収水経路１３内を通流する熱回収水の流量を調整するように構成されている。また、ポンプ１５は、余剰電力が発生し、降圧コンバータ回路８から熱回収水ヒータ２３に余剰電力を供給する場合には、制御器９により、その供給能力を増加させるように制御される。
熱交換器２２は、熱回収水経路１３を通流する熱回収水と、熱媒体経路１４を通流する熱媒体（貯湯水）と、の間で、熱交換できるように構成されている。熱交換器２２としては、全熱交換器等の各種の熱交換器を用いることができる。
熱媒体経路１４の途中には、貯湯タンク２４が設けられている。貯湯タンク２４には、熱媒体ヒータ２５が設けられている。熱媒体ヒータ２５は、降圧コンバータ回路８から電力を供給されて、貯湯タンク２４内に貯えられた熱媒体を加熱するように構成されている。熱媒体ヒータ２５としては、電気ヒータを用いることができる。なお、本発明においては、貯湯タンク２４は、熱媒体経路１４の一部とみなされる。
また、燃料電池システム２００は、凍結予防ヒータ２６を備えている。凍結予防ヒータ２６は、降圧コンバータ回路８から電力を供給されて、熱回収水流路１３、熱交換器２２、熱媒体経路１４、及び、改質器１６に送られる水の改質水経路等の凍結を予防するように構成されている。改質水経路から改質器１６に送られた水が蒸発して、改質反応に用いられる水蒸気となる。
なお、変成ヒータ１９、選択酸化ヒータ２０、熱回収水ヒータ２３、熱媒体ヒータ２５、及び凍結予防ヒータ２６のそれぞれは、本発明の内部負荷の一例である。このため、本実施の形態３においては、変成ヒータ１９、選択酸化ヒータ２０、熱回収水ヒータ２３、熱媒体ヒータ２５、及び凍結予防ヒータ２６を設ける形態を採用したが、これに限定されない。これらのヒータのうち少なくとも１のヒータが設けられていればよい。
また、制御器９は、燃料電池本体１の出力電力を昇圧コンバータ回路３及び降圧コンバータ回路８を介して、内部負荷に供給する場合には、上記ヒータの中から少なくとも１のヒータに電力を供給すればよい。このため、制御器９は、燃料電池本体１の出力電力を昇圧コンバータ回路３及び降圧コンバータ回路８を介して、内部負荷に供給する場合には、上記各ヒータのそれぞれに電力を供給してもよい。
このように構成された本実施の形態３に係る燃料電池システム２００では、実施の形態１に係る電力変換装置１００を備えているので、実施の形態１に係る電力変換装置１００と同様の作用効果を奏する。
また、本実施の形態３に係る燃料電池システム２００では、燃料電池本体１の出力電力を昇圧コンバータ回路３及び降圧コンバータ回路８を介して、熱回収水ヒータ２３に供給する場合には、制御器９は、ポンプ１５の供給能力を増加させるように制御する。このため、燃料電池システム２００における熱回収効率を増加させることができる。
なお、本実施の形態３においては、電力変換装置１００として、実施の形態１に係る電力変換装置１００を用いたが、これに限定されない。電力変換装置１００として、実施の形態２に係る電力変換装置１００を用いてもよい。
上記説明から、当業者にとっては、本発明の多くの改良や他の実施形態が明らかである。したがって、上記説明は、例示としてのみ解釈されるべきであり、本発明を実行する最良の形態を当業者に教示する目的で提供されたものである。本発明の要旨を逸脱することなく、その構造及び／又は機能の詳細を実質的に変更できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組合せにより種々の発明を形成できる。
本発明の電力変換装置及びそれを備える燃料電池システムは、電気ヒータ等の内部負荷に発電装置が発電した直流電力を一時的に流すときに、降圧コンバータ回路にかかる負担を抑制することができるため、有用である。
１ 燃料電池本体
１Ａ 熱回収水流路
２ 系統
３ 昇圧コンバータ回路
４ コンデンサ
５ インバータ回路
６ フィルタ
７ 解列機構
８ 降圧コンバータ回路
９ 制御器
１０ ダイオード
１１ 水素生成器
１２ 酸化剤ガス供給器
１３ 熱回収水経路
１４ 熱媒体経路
１５ ポンプ
１６ 改質器
１７ 変成器
１８ 選択酸化器
１９ 変成ヒータ
２０ 選択酸化ヒータ
２１ 熱回収水タンク
２２ 熱交換器
２３ 熱回収水ヒータ
２４ 貯湯タンク
２５ 熱媒体ヒータ
２６ 凍結予防ヒータ
３１ 平滑コンデンサ
３２ コンバータ回路
３７ 高周波昇圧トランス
３８ 整流回路
６０ 電気ヒータ
１００ 電力変換装置
１０６ 燃料電池
１５３ 電気ヒータ
１５４ ヒータ制御回路
１６７ 商用電力系統
２００ 燃料電池システム
本発明は、発電装置により発電した直流電力を商用電力系統に連系可能な交流電力に変換して外部負荷に電力供給する電力変換装置及びそれを備える燃料電池システムに関するものである。
燃料電池システムは、燃料電池で発電された電力を、例えば、家庭の電力負荷に供給するように構成されている。このような燃料電池システムは、燃料電池と商用電力系統と系統連系されている。
ところで、燃料電池システムにおいては、燃料電池で発電された余剰電力が系統電力に流れ込まないように制御されている。具体的には、燃料電池で発電された余剰電力を内部負荷（電気ヒータ）で処理する燃料電池システムが知られている（例えば、特許文献１乃至３参照）。
図４は、特許文献１に開示されている燃料電池システムの概略構成を模式的に示すブロック図である。
図４に示すように、特許文献１に開示されている燃料電池システムは、商用電力系統１６７に連系して運転される燃料電池１０６と、電気ヒータ１５３と、ヒータ制御器１５４と、を備えていて、燃料電池１０６において発生する余剰電力を電気ヒータ１５３に通電するように構成されている。そして、この電気ヒータ１５３への通電量はスイッチング素子を用いてヒータ制御器１５４が調整している。
特開２００４−２１３９８５号公報 特開２００１−６８１２５号公報 特開昭６０−１１７５６４号公報
しかしながら、特許文献１に開示されている燃料電池システムでは、商用電力系統１６７が瞬時的に停電した場合や商用電力系統１６７が工事で短時間開放された場合等に、燃料電池１０６で発電された直流電力を一時的に電気ヒータ１５３に通電して、消費させる。このため、スイッチング素子にかかる負担が大きくなり、スイッチング素子が発熱するので、スイッチング素子を放熱する為に、大型の放熱フィンが必要となる。したがって、上記特許文献１に開示されている燃料電池システムでは、システムが大型になり、コストが上昇する等の問題があった。
本発明は、上記従来の課題を解決するもので、系統が瞬時的に停電した場合等、系統に逆潮流が生じるおそれがある場合に、電気ヒータ等の内部負荷に発電装置が発電した直流電力を一時的に流すときに、降圧コンバータ回路にかかる負担を抑制することができる電力変換装置及びそれを備える燃料電池システムを提供することを目的とする。
上記目的を達成するために、本発明に係る電力変換装置は、発電装置が発電した直流電力を交流電力に変換する電力変換装置であって、前記発電装置の出力電圧を昇圧する昇圧コンバータ回路と、前記昇圧コンバータ回路の出力電圧を交流電力に変換して系統に連系するインバータ回路と、前記昇圧コンバータ回路の出力電力を電力変換して内部負荷に供給する降圧コンバータ回路と、制御器と、を備え、前記制御器は、前記発電装置の出力電力を前記昇圧コンバータ回路及び前記インバータ回路を介して前記系統に連系する場合は、前記昇圧コンバータ回路の出力電圧を系統の交流電圧の最大値より高い電圧値である第１電圧値以上にし、前記発電装置の出力電力を前記昇圧コンバータ回路及び前記降圧コンバータ回路を介して前記内部負荷に供給する場合は、前記昇圧コンバータ回路の出力電圧を系統の交流電圧の最大値より低い電圧値である第２電圧値以下にするように構成されている。
これにより、系統に逆潮流が生じるおそれがある場合に、電気ヒータ等の内部負荷に発電装置が発電した直流電力を一時的に流すときに、降圧コンバータ回路にかかる負担を抑制することができる。このため、降圧コンバータ回路のパワー・スイッチング素子を放熱する為に大型の放熱フィンを必要としないため、電力変換装置の大きさを小型化することができ、安価にすることができる。
本発明の上記目的、他の目的、特徴、及び利点は、添付図面参照の下、以下の好適な実施形態の詳細な説明から明らかにされる。
本発明に係る電力変換装置及びそれを備える燃料電池システムは、電気ヒータ等の内部負荷に発電装置が発電した直流電力を一時的に流すときに、降圧コンバータ回路にかかる負担を抑制することが可能となる。このため、本発明に係る電力変換装置及びそれを備える燃料電池システムでは、電力変換装置の大きさを小型化することができ、安価にすることができる。
図１は、本発明の実施の形態１に係る電力変換装置及びそれを備える燃料電池システムの概略構成を示す模式図である。 図２は、本発明の実施の形態２に係る電力変換装置及びそれを備える燃料電池システムの概略構成を示す模式図である。 図３は、本発明の実施の形態３に係る燃料電池システムの概略構成を模式的に示すブロック図である。 図４は、特許文献１に開示されている燃料電池システムの概略構成を模式的に示すブロック図である。
以下、本発明の好ましい実施の形態を、図面を参照しながら説明する。なお、全ての図面において、同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明は省略する。また、全ての図面において、本発明を説明するために必要となる構成要素のみを抜粋して図示しており、その他の構成要素については図示を省略している。さらに、本発明は以下の実施の形態に限定されない。
（実施の形態１）
本発明の実施の形態１に係る電力変換装置は、発電装置が発電した直流電力を交流電力に変換する電力変換装置であって、発電装置の出力電圧を昇圧する昇圧コンバータ回路と、昇圧コンバータ回路の出力電圧を交流電力に変換して系統に連系するインバータ回路と、昇圧コンバータ回路の出力電力を電力変換して内部負荷に供給する降圧コンバータ回路と、制御器と、を備え、制御器は、発電装置の出力電力を昇圧コンバータ回路及びインバータ回路を介して系統に連系する場合は、昇圧コンバータ回路の出力電圧を系統の交流電圧の最大値より高い電圧値である第１電圧値以上にし、発電装置の出力電力を昇圧コンバータ回路及び降圧コンバータ回路を介して内部負荷に供給する場合は、昇圧コンバータ回路の出力電圧を系統の交流電圧の最大値より低い電圧値である第２電圧値以下にするように構成されている態様を例示するものである。
ここで、系統の交流電圧の最大値は、電力変換装置が設置される地域によって異なる。系統の交流電圧の最大値としては、例えば、１００Ｖ〜６７２Ｖが挙げられる。
なお、以下の説明においては、発電装置が、燃料電池である場合について説明する。しかしながら、本発明においては、発電装置は、燃料電池に限定されず、直流電力を発電するものであれば、例えば、ガスタービンやガスエンジン等の発電機を用いてもよい。
［電力変換装置の構成］
図１は、本発明の実施の形態１に係る電力変換装置及びそれを備える燃料電池システムの概略構成を示す模式図である。
図１に示すように、本発明の実施の形態１に係る燃料電池システム２００は、電力変換装置１００と燃料電池本体１を備えている。そして、本実施の形態１に係る電力変換装置１００は、水素を主体とする燃料ガスと酸素とから直流電圧を発電する燃料電池本体１からなる直流電源（発電装置）から直流電力が入力され、５０Ｈｚまたは６０Ｈｚに変換して、外部負荷を介して、家庭内の電気機器などの外部負荷に交流電力を供給している。
本実施の形態１に係る電力変換装置１００は、燃料電池本体１からの入力電圧Ｖｉｎを昇圧する昇圧コンバータ回路３と、昇圧された電圧の高周波成分を除去するコンデンサ４と、出力電流を正弦波に波形成形するインバータ回路５と、インバータ回路５の出力から高周波ノイズを除去するフィルタ６と、インバータ回路５の出力電力を系統２に連系するときに閉じインバータ回路５の出力電力を系統２に連系させない時に開く解列機構７とを備え、系統２に接続されている。
昇圧コンバータ回路３は、入力電圧を平滑する平滑コンデンサ３１、パワー・スイッチング素子Ｑ３３〜Ｑ３６を４石使用したＨブリッジ構成のコンバータ回路３２と、コンバータ回路３２の出力に一次側を接続された高周波昇圧トランス３７と、高周波昇圧トランス３７の二次側に接続された整流回路３８で構成されている。
インバータ回路５は、パワー・スイッチング素子Ｑ３９〜Ｑ４２の４石を使用してＨブリッジ回路を構成し、その出力をフィルタ６と解列機構７を介して系統２に接続されている。
さらに、昇圧コンバータ回路３の出力には、降圧コンバータ回路８が接続されている。降圧コンバータ回路８の入力はパワー・スイッチング素子Ｑ４３の入力が接続され、降圧コンバータ回路８の出力はパワー・スイッチング素子Ｑ４３の出力が接続され、降圧コンバータ回路８の出力は電気ヒータ（内部負荷）６０に接続されている。
また、昇圧コンバータ回路３、インバータ回路５、及び降圧コンバータ回路８に用いられている、各パワー・スイッチング素子は、例えば、ＳｉＣ、ＧａＮ、ＳｉＧｅを構成材料として使用することができ、また、ＭＯＳＦＥＴ、ＩＧＢＴまたはトランジスタなどで構成することができる。
電気ヒータ（内部負荷）６０は、系統２が瞬時的に停電した場合、もしくは、系統２が工事で短時間開放された時などに、燃料電池本体１からなる直流電源から発電される直流電力を一時的に消費させる電力負荷である。
制御器９は、昇圧コンバータ回路３の出力電力を電力変換して電気ヒータ（内部負荷）６０に供給する降圧コンバータ回路８と、インバータ回路５の出力に系統から電力が逆流しないように昇圧コンバータ回路３とインバータ回路５と解列機構７と降圧コンバータ回路８を制御する。
そして、制御器９は、インバータ回路５の出力電力を系統２に連系させている場合には、昇圧コンバータ回路３の出力電圧を系統２の交流電圧の最大値より高い電圧値である、第１の電圧値以上に維持するように、昇圧コンバータ回路３を制御する。また、制御器９は、燃料電池本体１からなる直流電源の出力電力の全てを昇圧コンバータ回路３と降圧コンバータ回路８を介して電気ヒータ（内部負荷）６０で消費させる場合には、昇圧コンバータ回路３の出力電圧を系統２の交流電圧の最大値より低い電圧値である第２電圧値にするように、昇圧コンバータ回路３を制御する。
ここで、第１電圧値は、系統２の交流電圧の最大値より高ければ、任意に設定することができる。第１電圧値としては、例えば、安定して電力を外部負荷に供給する観点から、系統２の交流電圧の最大値に対して、１２５％〜１４５％であることが好ましい。同様に、第２電圧値は、系統２の交流電圧の最大値より低ければ、任意に設定することができる。第２電圧値としては、例えば、降圧コンバータ回路８のパワー・スイッチング素子Ｑ４３にかかる負担を抑制しつつ、電気ヒータ（内部負荷）６０に電力を消費させる観点から、系統２の交流電圧の最大値に対して、３５％〜５５％であることが好ましい。
なお、本発明における内部負荷とは、本発明の電力変換装置が組み込まれたシステム（本実施の形態１においては、燃料電池システム）を構成する機器のうち、電力を消費する機器をいう。また、外部負荷とは、本発明の電力変換装置が組み込まれたシステムを構成する機器以外の電力を消費する機器（例えば、燃料電池システムが設置された家庭で使用される電気機器）をいう。さらに、燃料電池本体１からなる直流電源の出力電力の全てを内部負荷で消費させる場合には、バッテリーに充電する場合も含まれる。
制御器９は、本実施の形態１においては、電力変換装置１００及び燃料電池システム２００のそれぞれを制御するように構成されている。制御器９は、電力変換装置１００及び燃料電池システム２００を構成する各機器を制御する機器であれば、どのような形態であってもよい。制御器９は、マイクロプロセッサ、ＣＰＵ等に例示される演算処理部と、各制御動作を実行するためのプログラムを格納した、メモリ等から構成される記憶部を備えている。そして、制御器９は、演算処理部が、記憶部に格納された所定の制御プログラムを読み出し、これを実行することにより、これらの情報を処理し、かつ、これらの制御を含む電力変換装置１００及び燃料電池システム２００に関する各種の制御を行う。
なお、制御器９は、単独の制御器で構成される形態だけでなく、複数の制御器が協働して電力変換装置１００及び燃料電池システム２００の制御を実行する制御器群で構成される形態であっても構わない。また、制御器９は、マイクロコントロールで構成されていてもよく、ＭＰＵ、ＰＬＣ(Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｌｏｇｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ)、論理回路等によって構成されていてもよい。
このように構成された本実施の形態１に係る電力変換装置１００及びそれを備える燃料電池システム２００では、制御器９が、インバータ回路５の出力電力を系統２に連携させているときには、昇圧コンバータ回路３をその出力電圧が、系統２の交流電圧の最大値よりも高い電圧値である第１電圧値以上になるように制御するように構成されている。このため、本実施の形態１に係る電力変換装置１００及びそれを備える燃料電池システム２００では、安定して、外部負荷に電力を供給することができる。
また、本実施の形態１に係る電力変換装置１００及びそれを備える燃料電池システム２００では、制御器９が、燃料電池本体１の出力電力の全てを電気ヒータ（内部負荷）６０で消費させる場合には、昇圧コンバータ回路３をその出力電圧が、系統２の交流電圧の最大値よりも低い電圧値である第２電圧値以下になるように制御するように構成されている。このため、本実施の形態１に係る電力変換装置１００及びそれを備える燃料電池システム２００では、系統２が瞬時的に停電した場合や系統２が工事で短時間開放された場合等、系統２に逆潮流が生じるおそれがある場合に、燃料電池本体１の出力電力の全てを電気ヒータ（内部負荷）６０で消費させても、昇圧コンバータ回路３のパワー・スイッチング素子Ｑ４３の電力損失を低減することができる。
したがって、本実施の形態１に係る電力変換装置１００及びそれを備える燃料電池システム２００では、降圧コンバータ回路８のパワー・スイッチング素子Ｑ４３を放熱する為に大型の放熱フィンを必要としない。さらに、従来と異なり、燃料電池本体１の出力電力を昇圧コンバータ回路３で第１電圧値以上に上げた後に、降圧コンバータ回路８で電気ヒータ６０の消費電力に対応した値に降圧する必要がないので、出力電力を昇圧及び降圧する際の電力損失を低減させることができる。このため、出力電力を効率よく電気ヒータ６０で熱に変換することができる。これにより、燃料電池システム２００の信頼性を向上させることができ、さらに、電力変換装置１００の大きさを小型化することができ、安価にすることができる。
さらに、本実施の形態１に係る電力変換装置１００及びそれを備える燃料電池システム２００では、制御器９が、昇圧コンバータ回路３の出力電圧を系統２の交流電圧の最大値より低い第２の所定電圧にして、燃料電池本体１の出力電力の全てを昇圧コンバータ回路３と降圧コンバータ回路８を介して、電気ヒータ（内部負荷）６０で消費させる場合に、解列機構７を開くように構成されている。これにより、系統２から電力変換装置１００への電力の逆流を防止することができるので、燃料電池システム２００の信頼性をさらに向上させることができる。
（実施の形態２）
図２は、本発明の実施の形態２に係る電力変換装置及びそれを備える燃料電池システムの概略構成を示す模式図である。
図２に示すように、本発明の実施の形態２に係る電力変換装置１００及びそれを備える燃料電池システム２００は、実施の形態１に係る電力変換装置１００及びそれを備える燃料電池システム２００と基本的構成は同じであるが、昇圧コンバータ回路３とインバータ回路５との間にダイオード１０が配置されている点が異なる。ダイオード１０としては、
例えば、ＳｉＣ、ＧａＮ、ＳｉＧｅが構成材料のものを用いることができる。
このように構成された本実施の形態２に係る電力変換装置１００及びそれを備える燃料電池システム２００であっても、実施の形態１に係る電力変換装置１００及びそれを備える燃料電池システム２００と同様の作用効果を奏する。
また、本実施の形態２に係る電力変換装置１００及びそれを備える燃料電池システム２００では、昇圧コンバータ回路３とインバータ回路５との間にダイオード１０を配置することにより、降圧コンバータ回路８及びインバータ回路５を介して、燃料電池本体１に系統２から電力が逆流しないようにすることができる。
（実施の形態３）
本発明の実施の形態３に係る燃料電池システムは、前記電力変換装置と、燃料電池本体と、燃料電池本体の熱を回収する熱回収水が通流する熱回収水経路と、熱回収水が回収した熱と熱交換する熱媒体が通流する熱媒体経路と、を備え、内部負荷が、凍結予防ヒータ、熱回収水経路を通流する熱回収水を加熱する熱回収水ヒータ、及び熱媒体経路を通流する熱媒体を加熱する熱媒体ヒータのうちの少なくとも一つのヒータである態様を例示するものである。
また、本実施の形態３に係る燃料電池システムでは、原料ガスを改質して燃料電池本体に燃料ガスを供給する水素生成器をさらに備え、内部負荷は、水素生成器に形成されている選択酸化器を加熱する選択酸化ヒータ及び水素生成器に形成されている変成器を加熱する変成ヒータのうちの少なくとも一方のヒータであってもよい。
さらに、本実施の形態３に係る燃料電池システムでは、熱回収水経路に設けられ、熱回収水を通流させるための送出器を備え、内部負荷は、熱回収水経路を加熱する熱回収水ヒータであり、制御器は、燃料電池本体の余剰電力を昇圧コンバータ回路及び降圧コンバータ回路を介して熱回収水ヒータに供給する場合は、熱回収水経路内の水の流速を増加させるように送出器を制御してもよい。
［燃料電池システムの構成］
図３は、本発明の実施の形態３に係る燃料電池システムの概略構成を模式的に示すブロック図である。
図３に示すように、本発明の実施の形態３に係る燃料電池システム２００は、実施の形態１に係る電力変換装置１００、水素生成器１１、酸化剤ガス供給器１２、燃料電池本体１、熱回収水経路１３、熱媒体経路１４、及びポンプ（送出器）１５を備えている。なお、電力変換装置１００の制御器９が、燃料電池システム２００を構成する各機器の制御器を兼ねている。
水素生成器１１は、改質器１６、変成器１７、選択酸化器１８、変成ヒータ１９、及び選択酸化ヒータ２０を有している。水素生成器１１は、燃料電池本体１に燃料ガスをその流量を調整しながら供給するように構成されている。
改質器１６では、原料と水蒸気とを改質反応させることにより、水素含有ガスが生成される。また、変成器１７及び選択酸化器１８では、改質器１６で生成された水素含有ガスを、それぞれシフト反応及び選択酸化反応により、水素含有ガス中の一酸化炭素が１ｐｐｍ程度まで低減した燃料ガスが生成される。生成された燃料ガスは、燃料電池本体１に供給される。なお、改質器１６、変成器１７、及び選択酸化器１８は、一般的な水素生成器１１に設けられている改質器、変成器、及び選択酸化器と同様に構成されているので、その詳細な説明は省略する。
変成ヒータ１９及び選択酸化ヒータ２０は、それぞれ、燃料電池システム２００の起動時（水素生成器１１の起動時）等に、降圧コンバータ回路８から電力が供給されて、変成器１７及び選択酸化器１８を加熱するように構成されている。変成ヒータ１９や選択酸化ヒータ２０としては、電気ヒータを用いることができる。なお、水素生成器１１が、変成器１７や選択酸化器１８を有しない構成である場合には、変成ヒータ１９や選択酸化ヒータ２０は水素生成器１１に設けられなくてもよい。
酸化剤ガス供給器１２は、燃料電池本体１に酸化剤ガス（空気）をその流量を調整しながら供給するように構成されている。酸化剤ガス供給器１２としては、例えば、ファンやブロワ等のファン類を使用することができる。
燃料電池本体１は、アノードとカソードを有している（いずれも図示せず）。燃料電池本体１では、アノードに供給された燃料ガスとカソードに供給された酸化剤ガスとが、反応して電気と熱が発生する。燃料電池本体１としては、高分子電解質形燃料電池や固体酸化物形燃料電池等の各種の燃料電池を用いることができる。なお、燃料電池本体１の構成は、一般的な燃料電池と同様に構成されているため、その詳細な説明は省略する。また、発生した電気は、電力変換装置１００により、外部負荷（例えば、家庭の電気機器）に供給される。
また、燃料電池本体１には、発生した熱を回収する熱回収水が通流する熱回収水流路１Ａが設けられている。熱回収水流路１Ａには、熱回収水経路１３が接続されている。熱回収水経路１３の途中には、熱回収水タンク２１、熱交換器２２、及びポンプ１５が設けられている。
熱回収水タンク２１には、熱回収水ヒータ２３が設けられている。熱回収水ヒータ２３は、降圧コンバータ回路８から電力を供給されて、熱回収水タンク２１内に貯えられた熱回収水を加熱するように構成されている。熱回収水ヒータ２３としては、電気ヒータを用いることができる。なお、本発明においては、熱回収水タンク２１は、熱回収水経路１３の一部とみなされる。
ポンプ１５は、熱回収水流路１Ａ及び熱回収水経路１３内を通流する熱回収水の流量を調整するように構成されている。また、ポンプ１５は、余剰電力が発生し、降圧コンバータ回路８から熱回収水ヒータ２３に余剰電力を供給する場合には、制御器９により、その供給能力を増加させるように制御される。
熱交換器２２は、熱回収水経路１３を通流する熱回収水と、熱媒体経路１４を通流する熱媒体（貯湯水）と、の間で、熱交換できるように構成されている。熱交換器２２としては、全熱交換器等の各種の熱交換器を用いることができる。
熱媒体経路１４の途中には、貯湯タンク２４が設けられている。貯湯タンク２４には、熱媒体ヒータ２５が設けられている。熱媒体ヒータ２５は、降圧コンバータ回路８から電力を供給されて、貯湯タンク２４内に貯えられた熱媒体を加熱するように構成されている。熱媒体ヒータ２５としては、電気ヒータを用いることができる。なお、本発明においては、貯湯タンク２４は、熱媒体経路１４の一部とみなされる。
また、燃料電池システム２００は、凍結予防ヒータ２６を備えている。凍結予防ヒータ２６は、降圧コンバータ回路８から電力を供給されて、熱回収水流路１３、熱交換器２２、熱媒体経路１４、及び、改質器１６に送られる水の改質水経路等の凍結を予防するように構成されている。改質水経路から改質器１６に送られた水が蒸発して、改質反応に用いられる水蒸気となる。
なお、変成ヒータ１９、選択酸化ヒータ２０、熱回収水ヒータ２３、熱媒体ヒータ２５、及び凍結予防ヒータ２６のそれぞれは、本発明の内部負荷の一例である。このため、本実施の形態３においては、変成ヒータ１９、選択酸化ヒータ２０、熱回収水ヒータ２３、熱媒体ヒータ２５、及び凍結予防ヒータ２６を設ける形態を採用したが、これに限定されない。これらのヒータのうち少なくとも１のヒータが設けられていればよい。
また、制御器９は、燃料電池本体１の出力電力を昇圧コンバータ回路３及び降圧コンバータ回路８を介して、内部負荷に供給する場合には、上記ヒータの中から少なくとも１のヒータに電力を供給すればよい。このため、制御器９は、燃料電池本体１の出力電力を昇圧コンバータ回路３及び降圧コンバータ回路８を介して、内部負荷に供給する場合には、上記各ヒータのそれぞれに電力を供給してもよい。
このように構成された本実施の形態３に係る燃料電池システム２００では、実施の形態１に係る電力変換装置１００を備えているので、実施の形態１に係る電力変換装置１００と同様の作用効果を奏する。
また、本実施の形態３に係る燃料電池システム２００では、燃料電池本体１の出力電力を昇圧コンバータ回路３及び降圧コンバータ回路８を介して、熱回収水ヒータ２３に供給する場合には、制御器９は、ポンプ１５の供給能力を増加させるように制御する。このため、燃料電池システム２００における熱回収効率を増加させることができる。
なお、本実施の形態３においては、電力変換装置１００として、実施の形態１に係る電力変換装置１００を用いたが、これに限定されない。電力変換装置１００として、実施の形態２に係る電力変換装置１００を用いてもよい。
上記説明から、当業者にとっては、本発明の多くの改良や他の実施形態が明らかである。したがって、上記説明は、例示としてのみ解釈されるべきであり、本発明を実行する最良の形態を当業者に教示する目的で提供されたものである。本発明の要旨を逸脱することなく、その構造及び／又は機能の詳細を実質的に変更できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組合せにより種々の発明を形成できる。
本発明の電力変換装置及びそれを備える燃料電池システムは、電気ヒータ等の内部負荷に発電装置が発電した直流電力を一時的に流すときに、降圧コンバータ回路にかかる負担を抑制することができるため、有用である。
１ 燃料電池本体
１Ａ 熱回収水流路
２ 系統
３ 昇圧コンバータ回路
４ コンデンサ
５ インバータ回路
６ フィルタ
７ 解列機構
８ 降圧コンバータ回路
９ 制御器
１０ ダイオード
１１ 水素生成器
１２ 酸化剤ガス供給器
１３ 熱回収水経路
１４ 熱媒体経路
１５ ポンプ
１６ 改質器
１７ 変成器
１８ 選択酸化器
１９ 変成ヒータ
２０ 選択酸化ヒータ
２１ 熱回収水タンク
２２ 熱交換器
２３ 熱回収水ヒータ
２４ 貯湯タンク
２５ 熱媒体ヒータ
２６ 凍結予防ヒータ
３１ 平滑コンデンサ
３２ コンバータ回路
３７ 高周波昇圧トランス
３８ 整流回路
６０ 電気ヒータ
１００ 電力変換装置
１０６ 燃料電池
１５３ 電気ヒータ
１５４ ヒータ制御回路
１６７ 商用電力系統
２００ 燃料電池システム

Claims (7)

  1. 発電装置が発電した直流電力を交流電力に変換する電力変換装置であって、
    前記発電装置の出力電圧を昇圧する昇圧コンバータ回路と、
    前記昇圧コンバータ回路の出力電圧を交流電力に変換して系統に連系するインバータ回路と、
    前記昇圧コンバータ回路の出力電力を電力変換して内部負荷に供給する降圧コンバータ回路と、
    制御器と、を備え、
    前記制御器は、
    前記発電装置の出力電力を前記昇圧コンバータ回路及び前記インバータ回路を介して前記系統に連系する場合は、前記昇圧コンバータ回路の出力電圧を系統の交流電圧の最大値より高い電圧値である第１電圧値以上にし、
    前記発電装置の出力電力を前記昇圧コンバータ回路及び前記降圧コンバータ回路を介して前記内部負荷に供給する場合は、前記昇圧コンバータ回路の出力電圧を系統の交流電圧の最大値より低い電圧値である第２電圧値以下にするように構成されている、電力変換装置。
  2. 前記インバータ回路と前記昇圧コンバータ回路との間に設置されているダイオードをさらに備える、請求項１に記載の電力変換装置。
  3. 前記インバータ回路より系統側に配置され、前記インバータ回路の出力電力を系統に連系する場合に閉じ、前記インバータ回路の出力電力を系統に連系させない場合に開くように構成されている解列機構をさらに備え、
    前記制御器は、前記発電装置の出力電力の全てを前記昇圧コンバータ回路と前記降圧コンバータ回路を介して前記内部負荷で消費させる場合に、前記解列機構を開くように制御する、請求項１又は２に記載の電力変換装置。
  4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の電力変換装置と、
    前記燃料電池本体と、
    前記燃料電池本体の熱を回収する熱回収水が通流する熱回収水経路と、
    前記熱回収水が回収した熱と熱交換する熱媒体が通流する熱媒体経路と、を備え、
    前記内部負荷は、凍結予防ヒータ、前記熱回収水経路を通流する熱回収水を加熱する熱回収水ヒータ、及び前記熱媒体経路を通流する熱媒体を加熱する熱媒体ヒータのうちの少なくとも一つのヒータである、燃料電池システム。
  5. 原料ガスを改質して前記燃料電池本体に燃料ガスを供給する水素生成器をさらに備え、
    前記内部負荷は、前記水素生成器に形成されている選択酸化器を加熱する選択酸化ヒータ及び前記水素生成器に形成されている変成器を加熱する変成ヒータのうちの少なくとも一方のヒータである、請求項４に記載の燃料電池システム。
  6. 前記熱回収水経路に設けられ、前記熱回収水を通流させるための送出器を備え、
    前記内部負荷は、前記熱回収水経路を加熱する熱回収水ヒータであり、
    前記制御器は、前記燃料電池本体の出力電力を前記昇圧コンバータ回路及び前記降圧コンバータ回路を介して前記熱回収水ヒータに供給する場合は、前記熱回収水経路内の水の流速を増加させるように前記送出器を制御する、請求項４又は５に記載の燃料電池システム。
  7. 発電装置が発電した直流電力を交流電力に変換する電力変換装置の運転方法であって、
    前記電力変換装置は、
    前記発電装置の出力電圧を昇圧する昇圧コンバータ回路と、
    前記昇圧コンバータ回路の出力電圧を交流電力に変換して系統に連系するインバータ回路と、
    前記昇圧コンバータ回路の出力電力を電力変換して内部負荷に供給する降圧コンバータ回路と、を備え、
    前記発電装置の出力電力を前記昇圧コンバータ回路及び前記インバータ回路を介して前記系統に連系する場合は、前記昇圧コンバータ回路の出力電圧を系統の交流電圧の最大値より高い電圧値である第１電圧値以上にし、
    前記発電装置の出力電力を前記昇圧コンバータ回路及び前記降圧コンバータ回路を介して前記内部負荷に供給する場合は、前記昇圧コンバータ回路の出力電圧を系統の交流電圧の最大値より低い電圧値である第２電圧値以下にする、電力変換装置の運転方法。
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