(57)【要約】【課題】直流交流変換手段の内部回路の具体的箇所の故障診断を行うことができる燃料電池システムを提供する。【解決手段】燃料電池１１と、商用電源に接続され、燃料電池１１からの直流電力を交流電力に変換し、商用電源とともに家庭内負荷１３に交流電力を供給する直流交流変換手段１２と、直流交流変換手段１２から負荷側に出力される電流と商用電源電圧との位相ずれを計測する位相ずれ計測手段１５と、燃料電池１１、直流交流変換手段１２、位相ずれ計測手段１５の動作を制御する運転制御手段１４とを備え、運転制御手段１４が位相ずれ計測手段１５により直流交流変換手段１２からの出力電流波形と商用電源電圧との位相ずれを計測する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池と、商用電源に接続され、前記燃料電池からの直流電力を交流電力に変換し、前記商用電源とともに負荷側に交流電力を供給する直流交流変換手段と、その直流交流変換手段から負荷側に出力される電流と商用電源電圧との位相ずれを計測する位相ずれ計測手段と、前記燃料電池、前記直流交流変換手段および前記位相ずれ計測手段の動作を制御する運転制御手段とを備え、前記運転制御手段は、前記位相ずれ計測手段により前記直流交流変換手段からの出力電流波形と前記商用電源電圧との位相ずれを計測することにより前記直流交流変換手段の故障診断をする燃料電池システム。
【請求項２】
前記直流交流変換手段から負荷側に出力される電流の力率を計測する力率計測手段を備え、前記運転制御手段は、前記力率計測手段により前記直流交流変換手段から負荷側に出力される電流の力率を計測することにより出力電流のみだれを観測して、前記直流交流変換手段の故障診断をする請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記運転制御手段は、前記位相ずれ計測手段により計測された位相ずれデータや前記力率計測手段により計測された力率データをデータ蓄積手段に蓄積させる請求項２記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記位相ずれ計測手段により計測された位相ずれデータおよび前記力率計測手段により計測された力率データと前記データ蓄積手段に蓄積されている位相ずれデータおよび力率データを比較する比較解析手段を備え、前記運転制御手段は、前記比較解析手段の出力により位相ずれデータおよび力率データの比較解析を行う請求項３記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池を用いて発電を行う燃料電池システムの故障診断に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の燃料電池システムとしては、交流電力出力波形計測手段により、直流交流変換手段の出力波形を逐一計測し、直流交流変換手段の故障診断をする燃料電池システムがあった（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
図８は、従来の燃料電池システムを示すブロック図である。
【０００４】
図８において、都市ガスのようなメタン等の炭化水素を含む燃料を原料として燃料電池１で発電が行われる。直流交流変換手段２は商用電源に接続され、燃料電池１からの直流電力を交流電力に変換し、商用電源とともに家庭内負荷３に交流電力を供給する。運転制御手段４は起動から発電までの一連の動作を制御する。
【０００５】
また交流電力出力波形計測手段５は直流交流変換手段２の出力端に接続され、直流交流変換手段２より出力される交流電力の出力電流波形および商用電源での電圧波形を計測する。
【０００６】
ここで運転制御手段４は、交流電力出力波形計測手段５により直流交流変換手段２より出力される交流電力の出力波形を逐一計測し、商用電源の電圧波形が正常であるのに出力電流波形が異常である場合は、直流交流変換手段２の内部回路の故障と判断していた。
【特許文献１】特開２００６−３１０１１６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上記従来の構成では、直流交流変換手段２からの出力過電流でのみ故障診断しているだけで、直流交流変換手段２の故障箇所の具体的な部位の特定までできていないという課題を有していた。
【０００８】
本発明は、このような従来の課題を解決するもので、燃料電池システムにおける直流交流変換手段の内部回路の具体的な箇所の故障診断を行うことを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
従来の課題を解決するために、本発明の燃料電池システムは、直流交流変換手段から負荷側に出力される電流と商用電源電圧との位相ずれを計測する位相ずれ計測手段を備え、運転制御手段が、位相ずれ計測手段により直流交流変換手段からの出力電流波形と商用電源電圧との位相ずれを計測することにより直流交流変換手段の故障診断をするのである。
【００１０】
この構成によって、直流交流変換手段から出力される電流と商用電源電圧との位相ずれを計測することにより、直流交流変換手段の内部回路の具体的な箇所の故障診断をすることができる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の燃料電池システムによれば、直流交流変換手段の内部回路の具体的な部位を特定して故障診断を行うことが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
第１の発明は、燃料電池と、商用電源に接続され、燃料電池からの直流電力を交流電力に変換し、商用電源とともに負荷側に交流電力を供給する直流交流変換手段と、その直流交流変換手段から負荷側に出力される電流と商用電源電圧との位相ずれを計測する位相ずれ計測手段と、燃料電池、直流交流変換手段および位相ずれ計測手段の動作を制御する運転制御手段とを備え、運転制御手段は、位相ずれ計測手段により直流交流変換手段からの出力電流波形と商用電源電圧との位相ずれを計測することにより直流交流変換手段の故障診断をするものである。
【００１３】
この構成により、直流交流変換手段の故障診断をして、内部回路の具体的な部位の特定を行い、部品交換を迅速かつ的確に実施することが可能となる。
【００１４】
第２の発明は、特に第１の発明の燃料電池システムにおいて、直流交流変換手段から負荷側に出力される電流の力率を計測する力率計測手段を備え、運転制御手段は、力率計測手段により直流交流変換手段から負荷側に出力される電流の力率を計測することにより出力電流のみだれを観測して、直流交流変換手段の故障診断をするものである。
【００１５】
この構成により、出力電力低下に至る原因となる無効電力が、有効電力に対してどれだけの比率で発生しているのかがわかり、直流交流変換手段の故障診断をして、内部回路の具体的な部位の特定を行い、部品交換を迅速かつ的確に実施することが可能となる。
【００１６】
第３の発明は、特に第２の発明の燃料電池システムにおいて、運転制御手段が、位相ずれ計測手段により計測された位相ずれデータや力率計測手段により計測された力率データをデータ蓄積手段に蓄積させるものである。
【００１７】
この構成により、メンテマンが点検の際に、たとえその場で故障が再現していなくても故障していた履歴を知ることができるようになり、修理が適切に実施されるようになる。
【００１８】
第４の発明は、特に第３の発明の燃料電池システムにおいて、位相ずれ計測手段により計測された位相ずれデータおよび力率計測手段により計測された力率データとデータ蓄積手段に蓄積されている位相ずれデータおよび力率データを比較する比較解析手段を備え、運転制御手段が、比較解析手段の出力により位相ずれデータおよび力率データの比較解析するものである。
【００１９】
この構成により、以前に発生していた位相ずれや力率低下、波形のみだれなどの不具合現象が再現性ありと判断され、部品交換などの処置が迅速かつ適切に実施されるようになる。
【００２０】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。
（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態１における燃料電池システムの構成図である。
【００２１】
図１において、都市ガスのようなメタン等の炭化水素を含む燃料を原料として燃料電池１１で発電が行われる。直流交流変換手段１２は商用電源に接続され、燃料電池１１からの直流電力を交流電力に変換し、商用電源とともに負荷１３に交流電力を供給する。位相ずれ計測手段１５は直流交流変換手段１２から負荷側に出力される電流と商用電源電圧との位相ずれを計測する。運転制御手段１４は燃料電池１１、直流交流変換手段１２、位相ずれ計測手段１５の動作を制御する。
【００２２】
ここで運転制御手段１４は、位相ずれ計測手段１５により、直流交流変換手段１２からの出力電流波形と商用電源電圧との位相ずれを計測することにより直流交流変換手段１２の故障診断をするものである。
【００２３】
直流交流変換手段１２からの出力電流は、正常運転時は、図２（ａ）に示すように、商用電源電圧Ｖと出力電流Ｉとの位相のずれはほぼゼロで同位相であるが、図２（ｂ）に示すように、位相ずれが発生する場合が考えられる。
【００２４】
ここでは電圧Ｖのゼロクロス点（ここでは図２（ｂ）のＡ点での電流の正負の別、および電流の絶対値を検出する方法をとる。図２（ｂ）のようにＡ点での電流Ｉの値が正の場合は、電流は位相の遅れを生じている。
【００２５】
逆にＡ点での電流値が負の場合は、電流は位相の進みを生じていると判断される。また電流Ｉの値の絶対値が大きければ位相のずれが大きいことになる。次の検出ポイントは１周期後のＢ点ということになり、順次検出することになる。
【００２６】
この位相ずれが発生する原因としては、自動同期検定回路や波形成形に関わる波形成形回路の不良や波形成形フィードバック回路の不良が考えられる。自動同期検定回路（図示せず）は、目標となる商用電源電圧波形に対して、出力電流波形が位相を同期するように位相ずれの微少検出信号を増幅し、フィードバックをかけながら位相を調整して、同期をとるように制御するものである。
【００２７】
また波形成形に関わる回路としては、波形成形回路（図示せず）や波形成形フィードバック回路（図示せず）がある。これも目標となる商用電源電圧波形に対して、出力電流波形を形成していくものであるが、波形自体のずれを検出して信号を増幅し、波形成形フィードバック回路を通じて、波形成形回路に信号のフィードバックをかけて、修正すべきずれを波形成形回路に働きかけて、出力電流波形を生成していくものである。
【００２８】
このようにして、位相ずれが発生したことにより、自動同期検定回路や波形成形回路、波形成形フィードバック回路の部品を１つ１つチェックして、部品交換することにより、故障箇所を修理することが可能となる。
【００２９】
ここで、系統連系しないインバータ、いわゆる自立型のインバータとの相違点について説明する。系統連系しないインバータは、自身で電圧波形と電流波形を生成し、電力として出力しているので、電圧と電流の同期を容易に制御し易く、たとえ位相ずれが生じても、系統連系していない独立系のため何ら問題はなく、あえて電圧と電流との位相ずれを検出して制御する必要がない。
【００３０】
しかし本発明を構成する系統連系インバータは、自身では制御できない系統電源電圧に位相を同期させて、無効電力を発生させないように出力電流を生成することが、系統連系が許可される基本的な条件となるため、系統電圧と出力電流との位相ずれを検出して、ずれが生じていれば、その信号を増幅し、フィードバックをかけて、微調整しながら出力電力を同期させるように生成する制御が必要となる。
【００３１】
かかる構成によれば、直流交流変換手段の故障診断をして、内部回路の具体的な部位の特定を行い、部品交換を迅速かつ的確に実施することが可能となる。
（実施の形態２）
図３は本発明の実施の形態２における燃料電池システムの構成図である。図３において図１と同じ構成要素については同一符号を用い、説明を省略する。
【００３２】
図３において、力率計測手段１６は直流交流変換手段１２から負荷側に出力される電流の力率を計測するものである。
【００３３】
ここで、運転制御手段１４は、力率計測手段１６により直流交流変換手段１２から負荷側に出力される電流の力率を計測することにより出力電流のみだれを観測して、直流交流変換手段１２の故障診断をするものである。
【００３４】
力率＝有効電力÷皮相電力であり、ここで力率はｃｏｓθであるので、有効電力＝皮相電力×ｃｏｓθとなる。さらに無効電力との関係が図４に示されるものとなる。
【００３５】
つまり力率が１より小さくなると、θ分が大きくなり、無効電力が発生して有効電力が小さくなってしまうことになるので、無効電力分を検出すれば力率が計測できるようになる。
【００３６】
図５の電流波形に示すように、力率１の場合のなめらかな正弦波形ではなく、力率が１以下に低下すると不規則な乱れが生じ、電流が低下したり、矢印の円内に示すように電流が流れない状態が発生したりすることになる。このことにより、出力電力の低下という状況が発生してしまうことになる。
【００３７】
この原因として、前述した直流交流変換手段１２の内部回路である出力電流の波形成形にかかわる波形成形回路の不良や波形成形フィードバック回路の不良が考えられる。
【００３８】
かかる構成によれば、出力電力低下に至る原因となる無効電力が、有効電力に対してどれだけの比率で発生しているのかわかり、直流交流変換手段の故障診断をして、内部回路の具体的な部位の特定を行い、部品交換を迅速かつ的確に実施することが可能となる。
（実施の形態３）
図６は本発明の実施の形態３における燃料電池システムの構成図である。図６において図１または図３と同じ構成要素については同一符号を用い、説明を省略する。
【００３９】
図６において、データ蓄積手段１７は、位相ずれ計測手段１５での位相ずれデータや力率計測手段１６での力率データを蓄積するものである。
【００４０】
ここで運転制御手段１４は、データ蓄積手段１７により、位相ずれ計測手段１５や力率計測手段１６により計測されたデータを蓄積するものである。
【００４１】
データ蓄積手段１７としては、ＳＤカード、ＣＦカード等のメモリーカード形式のメディアや通信回線を利用して遠隔地等のデーターベースへ蓄積する等の方法が考えられる。
【００４２】
かかる構成によれば、メンテマンが点検の際に、たとえその場で故障が再現していなくても故障していた履歴を知ることができるようになり、修理が適切に実施されるようになる。
（実施の形態４）
図７は本発明の実施の形態４における燃料電池システムの構成図である。図７において図１、図３や図６と同じ構成要素については同一符号を用い、説明を省略する。
【００４３】
図７において、比較解析手段１８は、位相ずれ計測手段１５において計測された位相ずれデータや力率計測手段１６において計測された力率データとデータ蓄積手段１７において蓄積されている位相ずれデータや力率データを比較するものである。
【００４４】
ここで、運転制御手段１４は、比較解析手段１８の出力により位相ずれデータや力率データを比較解析するものである。
【００４５】
直流交流変換手段１２からの出力電流における商用電源電圧との位相ずれデータや力率データや電流波形の乱れデータが計測され、データ蓄積手段１７における蓄積データとを比較することにより、位相のずれ、力率低下や波形の乱れが再現性ありと判断されることにより不具合が確実なものとなり、修理交換を迅速かつ適切に実施されることになる。
【００４６】
かかる構成によれば、以前に発生していた位相ずれや力率低下、波形のみだれなどの不具合現象が再現性ありと判断され、部品交換などの処置が迅速かつ適切に実施されるようになる。
【産業上の利用可能性】
【００４７】
本発明の燃料電池システムは、直流交流変換手段の内部回路の具体的部位の故障診断を行うことができるものであり、燃料電池を用いて経済的で安全な発電が行われるのに有用である。これはまた他の電池や動力源を用いた発電システムにも応用が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】本発明の実施の形態１における燃料電池システムのブロック図
【図２】同燃料電池システムにおける出力電流と商用電源電圧との位相ずれを示す波形図
【図３】本発明の実施の形態２における燃料電池システムのブロック図
【図４】同燃料電池システムにおける有効電力と無効電力の関係図
【図５】同燃料電池システムにおける力率低下した場合の電流波形図
【図６】本発明の実施の形態３における燃料電池システムのブロック図
【図７】本発明の実施の形態４における燃料電池システムのブロック図
【図８】従来の燃料電池システムのブロック図
【符号の説明】
【００４９】
１１    燃料電池
１２    直流交流変換手段
１３    負荷
１４    運転制御手段
１５    位相ずれ計測手段
１６    力率計測手段
１７    データ蓄積手段
１８    比較解析手段
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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