(57)【要約】【課題】電力系統が切り離された場合であっても、燃料電池を安定して継続運転することが可能な燃料電池システムを提供する。【解決手段】燃料電池システム１は、燃料電池１０と、燃料電池１０の出力電圧を昇圧するコンバータ２１と、コンバータ２１から出力された直流電力を交流電力に変換して負荷４０に供給するインバータ２２と、電気ヒータ３０と、電気ヒータ３０への通電を制御する制御部２３と、燃料電池１０から出力された電力を測定する電力測定器２４Ａと、インバータ２２から出力された電力を測定する電力測定器２４Ｂとを備える。制御部２３は、電力測定器２４Ａから出力された信号と、電力測定器２４Ｂから出力された信号とに基づいて、コンバータ２１から出力された直流電力のうち電気ヒータ３０に供給する電力の大きさを制御する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電力系統とは切り離された燃料電池システムであって、
直流電力を出力する燃料電池と、
前記燃料電池の出力電圧を昇圧する昇圧手段と、
前記昇圧手段から出力された直流電力を交流電力に変換して第１の負荷に供給する変換手段と、
第２の負荷と、
前記第２の負荷への通電を制御する制御手段と、
前記燃料電池から出力された電力を測定し、その電力の大きさを示す第１の信号を前記制御手段に出力する第１の電力測定手段と、
前記変換手段から出力された電力を測定し、その電力の大きさを示す第２の信号を前記制御手段に出力する第２の電力測定手段とを備え、
前記第２の負荷は、前記昇圧手段と前記変換手段との間において、前記制御手段を介して、前記変換手段に対して並列に接続されており、
前記制御手段は、前記第１の電力測定手段から出力された前記第１の信号と、前記第２の電力測定手段から出力された前記第２の信号とに基づいて、前記昇圧手段から出力された直流電力のうち前記第２の負荷に供給する電力の大きさを制御することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記制御手段は、前記第２の負荷に供給する電力の大きさが、前記第１の電力測定手段によって測定された電力の大きさから、前記第２の電力測定手段によって測定された電力の大きさを減算した大きさとなるように制御することを特徴とする、請求項１に記載された燃料電池システム。
【請求項３】
電力系統とは切り離された燃料電池システムであって、
直流電力を出力する燃料電池と、
前記燃料電池の出力電圧を昇圧する昇圧手段と、
前記昇圧手段から出力された直流電力を交流電力に変換して第１の負荷に供給する変換手段と、
第２の負荷と、
前記第２の負荷への通電を制御する制御手段と、
前記燃料電池から出力された電力を測定し、その電力の大きさを示す信号を前記制御手段に出力する電力測定手段とを備え、
前記第２の負荷は、前記昇圧手段と前記変換手段との間において、前記制御手段を介して、前記変換手段に対して並列に接続されており、
前記制御手段は、前記電力測定手段によって測定される電力の大きさが一定となるように、前記昇圧手段から出力された直流電力のうち前記第２の負荷に供給する電力の大きさを制御することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項４】
前記制御手段は、第１の時点で前記電力測定手段によって測定された電力の大きさと、前記第１の時点よりも所定時間前の第２の時点で前記電力測定手段によって測定された電力の大きさとの差分に基づいて、前記第２の負荷に供給する電力の大きさを変化させることを特徴とする、請求項３に記載された燃料電池システム。
【請求項５】
前記制御手段は、前記昇圧手段から前記第２の負荷への電力の供給をＯＮ／ＯＦＦするスイッチング素子を有し、前記スイッチング素子のデューティ比を変更することにより、前記第２の負荷に供給する電力の大きさを制御することを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一項に記載された燃料電池システム。
【請求項６】
前記第２の負荷は電気ヒータであることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一項に記載された燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、燃料電池と商用の電力系統とを連系させて、外部の負荷に対し電力を供給するようにした、家庭用又は業務用の燃料電池システムが知られている（例えば、下記特許文献１を参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平８−３２１３１９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、燃料電池においては、改質器によって、水素を含有する改質ガスが生成され、燃料電池スタックによって、その改質ガスが用いられ、水素と酸素との化学反応により発電が行われる。そのため、改質反応を早くしても、燃料電池スタック内では必ず遅れが発生してしまう。従って、燃料電池は、発電量の急激な変更が困難であるという特性を有している。このことから、燃料電池で発電を行うにあたっては、負荷の需要変動に対し燃料電池の出力が遅れて追従することが普通である。
【０００５】
ところが、家庭用又は業務用として燃料電池システムが用いられる場合、家人が在宅中か否か、又は、活動中か就寝中か等によって、負荷（電力消費量）が大きく変動する。そのため、従来の燃料電池システムでは、負荷変動に追従しきれないときには、その変動分を電力系統によって補完するようにしている。従って、停電等によって燃料電池システムが電力系統から突然切り離された場合には、燃料電池システムが負荷変動に追従できなくなってしまうため、燃料電池システムを強制的に非常停止するように設計されている。つまり、電力系統と連系されていなければ、負荷に接続された燃料電池システムを運転することはできなかった。
【０００６】
そこで、本発明は、電力系統が切り離された場合であっても、燃料電池を安定して継続運転することが可能な燃料電池システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に係る燃料電池システムは、電力系統とは切り離された燃料電池システムであって、直流電力を出力する燃料電池と、燃料電池の出力電圧を昇圧する昇圧手段と、昇圧手段から出力された直流電力を交流電力に変換して第１の負荷に供給する変換手段と、第２の負荷と、第２の負荷への通電を制御する制御手段と、燃料電池から出力された電力を測定し、その電力の大きさを示す第１の信号を制御手段に出力する第１の電力測定手段と、変換手段から出力された電力を測定し、その電力の大きさを示す第２の信号を制御手段に出力する第２の電力測定手段とを備え、第２の負荷は、昇圧手段と変換手段との間において、制御手段を介して、変換手段に対して並列に接続されており、制御手段は、第１の電力測定手段から出力された第１の信号と、第２の電力測定手段から出力された第２の信号とに基づいて、昇圧手段から出力された直流電力のうち第２の負荷に供給する電力の大きさを制御することを特徴とする。
【０００８】
本発明に係る燃料電池システムでは、制御手段が、第１の電力測定手段から出力された第１の信号と、第２の電力測定手段から出力された第２の信号とに基づいて、昇圧手段から出力された直流電力のうち第２の負荷に供給する電力の大きさを制御している。そのため、第１の負荷（例えば、家庭内での電力消費量等）が急激に変動したとしても、その変動分が第２の負荷によって吸収される。その結果、停電等によって電力系統が燃料電池システムから切り離された場合であっても、その後、燃料電池を安定して継続運転することが可能となる。
【０００９】
また、本発明に係る燃料電池システムでは、第２の負荷が、昇圧手段と変換手段との間において、制御手段を介して、変換手段に対して並列に接続されている。そのため、第２の負荷においては、昇圧手段によって燃料電池からの出力電圧を昇圧した後の電力が消費される。従って、昇圧手段から第２の負荷に流れる電流が少なくなる。その結果、大電流が流れないことにより安全性が向上する。また、昇圧手段と第２の負荷とを接続するケーブルを細くすることができるので、システム設計上有利となる。
【００１０】
好ましくは、制御手段は、第２の負荷に供給する電力の大きさが、第１の電力測定手段によって測定された電力の大きさから、第２の電力測定手段によって測定された電力の大きさを減算した大きさとなるように制御する。このようにすると、第１の負荷での消費電力と第２の負荷での消費電力との合計値が、燃料電池による発電量と同じになる。そのため、停電等によって電力系統が燃料電池システムから切り離された場合であっても、その後、燃料電池をより安定して継続運転することが可能となる。
【００１１】
好ましくは、制御手段は、昇圧手段から第２の負荷への電力の供給をＯＮ／ＯＦＦするスイッチング素子を有し、スイッチング素子のデューティ比を変更することにより、第２の負荷に供給する電力の大きさを制御する。このようにすると、第１の負荷の変動に対して、柔軟に効率よく対応することが可能となる。
【００１２】
好ましくは、第２の負荷は電気ヒータである。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、電力系統が切り離された場合であっても、燃料電池を安定して継続運転することが可能な燃料電池システムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】図１は、本実施形態に係る燃料電池システムを示すブロック図である。
【図２】図２は、本実施形態に係る燃料電池システムの他の例を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本発明に係る燃料電池システム１の好適な実施形態について、図面を参照して説明する。なお、説明において、同一要素又は同一機能を有する要素には同一符号を用いることとし、重複する説明は省略する。
【００１６】
燃料電池システム１は、図１に示されるように、燃料電池１０と、パワーコンディショナ２０と、電気ヒータ３０（第２の負荷）とを備える。なお、図１においては、実線の矢印は電流の流れを示し、破線は電気的に接続されていない様子を示し、一点鎖線の矢印は信号の流れを示している。
【００１７】
燃料電池１０は、水素を含有する改質ガスを生成する改質装置（図示せず）と、改質装置に供給するための液体燃料から硫黄分を除去する脱硫装置（図示せず）と、改質装置によって生成された改質ガスを用いて発電（例えば、１ｋＷ程度）を行う燃料電池スタック（図示せず）とを有する。燃料電池１０は、電気配線Ｌ１によってパワーコンディショナ２０のコネクタ２５Ａ（詳しくは後述する）に接続されている。なお、燃料電池システム１は、例えば、家庭用の電力供給源として利用されるものであるので、容易に入手することができ且つ独立して貯蔵することができるという観点から、液体燃料として灯油が用いられている。
【００１８】
パワーコンディショナ２０は、コンバータ２１（昇圧手段）と、インバータ２２（変換手段）と、制御部２３（制御手段）と、電力測定器２４Ａ，２４Ｂ（第１及び第２の電力測定手段）と、コネクタ２５Ａ〜２５Ｄとを有する。
【００１９】
コンバータ２１は、電気配線Ｌ２によってコネクタ２５Ａに接続されている。そのため、コンバータ２１は、電気配線Ｌ１，Ｌ２及びコネクタ２５Ａを介して、燃料電池１０に対して直列に接続されている。燃料電池１０において発電された直流電力がコンバータ２１に出力されると、コンバータ２１は、燃料電池１０から供給される直流電圧（例えば、３０Ｖ程度）を所定の電圧（例えば、２００Ｖ〜３００Ｖ程度）に昇圧する。
【００２０】
インバータ２２は、電気配線Ｌ３によって、コンバータ２１に対して直列に接続されている。インバータ２２は、コンバータ２１から出力された直流電力を交流電力に変換する。また、インバータ２２は、電気配線Ｌ４によってコネクタ２５Ｂに接続されており、電気配線Ｌ４から分岐した電気配線Ｌ５によってコネクタ２５Ｃに接続されている。そのため、インバータ２２から出力された交流電力は、コネクタ２５Ｂ、２５Ｃに向かう。
【００２１】
コネクタ２５Ｂには、負荷４０（第１の負荷）が電気配線Ｌ６によって接続されている。そのため、インバータ２２から出力された交流電力は、電気配線Ｌ４，Ｌ５及びコネクタ２５Ｂを介して、負荷４０に供給される。なお、図１においては、負荷４０が、家庭内の電気機器であると想定して、燃料電池システム１の外部に位置しているように描かれているが、この負荷４０は、燃料電池システム１の内部において用いられている電気機器であってもよい。
【００２２】
一方、本発明では、停電等によって燃料電池システムが電力系統から切り離された場合を想定しているので、コネクタ２５Ｃには商用の電力系統５０は接続されていない。
【００２３】
制御部２３は、電気配線Ｌ３から分岐した電気配線Ｌ６によって、コンバータ２１と接続されている。そのため、コンバータ２１から出力された直流電力は、インバータ２２のみならず、制御部２３にも供給される。また、制御部２３は、電気配線Ｌ７によってコネクタ２５Ｄに接続されている。そのため、制御部２３から出力された直流電力は、コネクタ２５Ｄに向かう。
【００２４】
コネクタ２５Ｄには、電気ヒータ３０が電気配線Ｌ８によって接続されている。そのため、コンバータ２１から出力された直流電力は、電気配線Ｌ３，Ｌ６〜Ｌ８、制御部２３及びコネクタ２５Ｄを介して、電気ヒータ３０に供給される。このとき、電気ヒータ３０による発熱を利用して水を加熱し、その温水を貯水タンクに溜めるようにしてもよい。
【００２５】
電力測定器２４Ａは、燃料電池１０から出力された電力を測定するために、電気配線Ｌ２に取り付けられている。電力測定器２４Ａは、燃料電池１０から出力された電力を測定すると、その電力の大きさを示す信号（第１の信号）を制御部２３に送信する。
【００２６】
電力測定器２４Ｂは、インバータ２２から出力された電力を測定するために、電気配線Ｌ４のうち電気配線Ｌ５に分岐する前の部分に取り付けられている。電力測定器２４Ｂは、インバータ２２から出力された電力を測定すると、その電力の大きさを示す信号（第２の信号）を制御部２３に送信する。
【００２７】
ここで、制御部２３は、電気配線Ｌ６と電気配線Ｌ７との間の接続をＯＮ／ＯＦＦ制御するスイッチング素子（図示せず）を有している。制御部２３は、電力測定器２４Ａ，２４Ｂからそれぞれ送信された信号に基づいて、このスイッチング素子のデューティ比を調整することができるようになっている。すなわち、電力測定器２４Ａによって測定された電力の大きさから、電力測定器２４Ｂによって測定された電力の大きさを減算した大きさの電力が電気ヒータ３０に供給されるように、制御部２３がスイッチング素子のデューティ比を調整する。
【００２８】
以上のような本実施形態においては、制御部２３が、電力測定器２４Ａから出力された信号と、電力測定器２４Ｂから出力された信号とに基づいて、コンバータ２１から出力された直流電力のうち電気ヒータ３０に供給する電力の大きさを制御している。そのため、負荷４０（例えば、家庭内での電力消費量等）が急激に変動したとしても、その変動分が電気ヒータ３０によって吸収される。その結果、停電等によって電力系統５０が燃料電池システム１から切り離された場合であっても、その後、燃料電池１０を安定して継続運転することが可能となる。
【００２９】
また、本実施形態に係る燃料電池システム１においては、電気ヒータ３０が、コンバータ２１とインバータ２２との間において、制御部２３を介して、インバータ２２に対して並列に接続されている。そのため、電気ヒータ３０においては、コンバータ２１によって燃料電池１０からの出力電圧を昇圧した後の電力が消費される。従って、コンバータ２１から電気ヒータ３０へと流れる電流が少なくなる。その結果、大電流が流れないことにより燃料電池システム１の安全性が向上する。また、コンバータ２１と電気ヒータ３０とを接続する電気配線Ｌ３，Ｌ６〜Ｌ８を細くすることができるので、システム設計上有利となる。
【００３０】
以上、本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明は上記した実施形態に限定されるものではない。例えば、本実施形態では、負荷４０の変動分を吸収するために、負荷４０の変動に応じて電気ヒータ３０に供給する電力の大きさを調整するようにしたが、電気ヒータ３０ではなく、照明やファンなどの種々の負荷（電気負荷）を用いることが可能である。
【００３１】
また、本実施形態では、制御部２３が、電力測定器２４Ａから出力された信号と、電力測定器２４Ｂから出力された信号とに基づいて、コンバータ２１から出力された直流電力のうち電気ヒータ３０に供給する電力の大きさを制御していたが、コンバータ２１から出力された直流電力のうち電気ヒータ３０に供給する電力の大きさを制御する方法としては、これに限られない。この点について、図２を参照して以下に説明する。なお、図２は、電力測定器２４Ｂが存在していない点が、図１と異なっている。
【００３２】
制御部２３は、電力測定器２４Ａから出力された信号を時々刻々受信している。制御部２３は、電力測定器２４Ａによって測定された現在（第１の時点）の電力と、それよりも所定時間前（例えば、数マイクロ秒〜数ミリ秒前）の時点（第２の時点）で電力測定器２４Ａによって測定された電力との差分に基づいて、コンバータ２１から出力された直流電力のうち電気ヒータ３０に供給する電力の大きさを変化させる。具体的には、現在の電力が所定時間前の時点での電力よりも小さくなった場合（負荷４０での電力消費量が少なくなった場合）には、電気ヒータ３０に供給する電力を大きくする。これに対し、現在の電力が所定時間前の時点での電力よりも大きくなった場合（負荷４０での電力消費量が多くなった場合）には、電気ヒータ３０に供給する電力を小さくする。このようにすることで、燃料電池１０の出力を一定（電力測定器２４Ａによって測定される電力の大きさが一定）とすることができる。その結果、停電等によって電力系統５０が燃料電池システム１から切り離された場合であっても、その後、燃料電池１０を安定して継続運転することが可能となる。
【符号の説明】
【００３３】
１…燃料電池システム、１０…燃料電池、２０…パワーコンディショナ、２１…コンバータ（昇圧手段）、２２…インバータ（変換手段）、２３…制御部（制御手段）、２４Ａ，２４Ｂ…電力測定器（第１及び第２の電力測定手段）、３０…電気ヒータ（第２の負荷）、４０…負荷、５０…電力系統（第１の負荷）。
【図１】
2010238496.tif 000003
【図２】
2010238496.tif 000004