(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素生成器と、この水素生成器により生成される水素リッチなガスと酸化剤ガスとを反応させて直流電力を発生させる燃料電池スタックと、この燃料電池スタックより発生する直流電力を交流電力に変換して系統へ連系出力する電力変換装置と、発電に必要なプロセス系及び前記電力変換装置を制御する制御手段と、前記燃料電池スタックの発電電圧を測定して前記制御手段に入力する直流電圧計測手段とを備え、
前記制御手段は、発電電力指令値により前記電力変換装置を電力制御すると共に、前記直流電圧計測手段で測定された前記燃料電池スタックの発電電圧が設定値より低下すると、運転可能な最低値を発電電力指令値として前記電力変換装置を制御することで前記燃料電池スタックの発電電圧を上昇させることを特徴とする燃料電池制御装置。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池制御装置において、
前記制御手段は、回数記録手段を備え、この回数記録手段に直流電圧低下から定常運転状態への復帰の繰返し回数を記録し、その回数が所定回数を超過した場合は、前記電力変換装置に与える発電電力指令値を出力可能な最低値として運転を継続させることを特徴とする燃料電池制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池を常に安定した状態で運転可能な燃料電池制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
最近、天然ガスやプロパンガスなどの原燃料から得られる水素と空気中の酸素とを使って発電する燃料電池は、高効率で、環境性に優れ、電気エネルギーと熱エネルギーを同時に利用できることから、家庭への普及が広まってきている。
【０００３】
この燃料電池を家庭に設置する場合は、ガス給湯器などと同様に高い信頼性が要求され、多少の外乱があってもシステムの停止に至らないようにすることが重要である。
【０００４】
しかし、燃料電池は、水素と酸素との電気化学反応により直流電力を発生させるシステムであるため、水素の発生に必要な原燃料や水の供給、及び酸素、すなわち空気の供給が少しでも変動すると、燃料電池より発生する直流電圧が大きく低下する特性がある。
【０００５】
従来、燃料電池の直流電圧が低下した場合の対応策として、燃料電池の直流電圧の低下に伴い発生する直流電流の増加を抑えるようにした燃料電池システムの制御装置が提案されている（特許文献１）。
【０００６】
この燃料電池システムの制御装置は、燃料電池より発生する直流電力を交流電力に変換する変換器を燃料電池の直流電圧が低下し始めている段階で、直流電流値を抑え気味に制御することにより、燃料電池への負担を軽減し、耐久性を向上させるようにしたものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００４−３２７０５５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかし、かかる従来の燃料電池システムの制御装置では、燃料電池の経時劣化等による緩やかな電圧低下に対しては燃料電池への影響を低減し、システムの運転を継続することが可能であるが、急激な電圧低下の場合には直流電力を過度に取出すため、燃料電池の特性を劣化させたり、電圧低下により運転継続ができなくなったりして、システムが停止に至る可能性がある。
【０００９】
本発明は上記のような課題を解決するためになされたもので、燃料電池の急激な電圧低下に対する耐久性に優れ、経時劣化に対しても対応可能な安定した燃料電池制御装置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】
【００１０】
本発明は上記の目的を達成するため、次のような手段により燃料電池制御装置を構成する。
【００１５】
請求項１に対応する発明は、水素生成器と、この水素生成器により生成される水素リッチなガスと酸化剤ガスとを反応させて直流電力を発生させる燃料電池スタックと、この燃料電池スタックより発生する直流電力を交流電力に変換して系統へ連系出力する電力変換装置と、発電に必要なプロセス系及び前記電力変換装置を制御する制御手段と、前記燃料電池スタックの発電電圧を測定して前記制御手段に入力する直流電圧計測手段とを備え、前記制御手段は、発電電力指令値により前記電力変換装置を電力制御すると共に、前記直流電圧計測手段で測定された前記燃料電池スタックの発電電圧が設定値より低下すると、運転可能な最低値を発電電力指令値として前記電力変換装置を制御することで前記燃料電池スタックの発電電圧を上昇させる。
【００１６】
請求項２に対応する発明は、請求項１に対応する発明の燃料電池制御装置において、前記制御手段は、回数記録手段を備え、この回数記録手段に直流電圧低下から定常運転状態への復帰の繰返し回数を記録し、その回数が所定回数を超過した場合は、前記電力変換装置に与える発電電力指令値を出力可能な最低値として運転を継続させる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、燃料電池の急激な電圧低下に対する耐久性に優れ、経時劣化に対しても対応可能な安定したものとなし得る。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明による燃料電池制御装置の第１の実施形態を示すブロック構成図。
【図２】同実施形態における電力変換装置の内部構成を示すブロック回路図。
【図３】同実施形態におけるスイッチングゲートＯＮ／ＯＦＦ信号と電力変換装置の入力／出力の関係を示す図。
【図４】本発明による燃料電池制御装置の第２の実施形態におけるスイッチングゲートＯＮ／ＯＦＦ信号の変化と出力変化の例を示す図。
【図５】本発明による燃料電池制御装置の第３の実施形態を示すブロック構成図。
【図６】本発明による燃料電池制御装置の第４の実施形態を示すブロック構成図。
【図７】本発明による燃料電池制御装置の第５の実施形態を示すブロック構成図。
【図８】同実施形態における直流電流と直流電圧の関係を示す特性図。
【図９】本発明による燃料電池制御装置の第６の実施形態を示すブロック構成図。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
【００２０】
（第１の実施形態）
図１は本発明による燃料電池制御装置の第１の実施形態を示すブロック構成図である。
【００２１】
図１において、１は天然ガスやプロパンガスなどの原燃料が供給され、原燃料を改質して水素リッチなガスを生成する水素生成器、２は空気を取込む送風機、３は水素生成器１で生成された水素リッチなガスと送風機２により取込んだ空気とが供給され、電気化学反応により電気エネルギーと熱エネルギーを発生する燃料電池スタックで、これらは燃料電池を構成する。
【００２２】
また、４は燃料電池スタック３で発生した熱エネルギーを回収する温水ラインに接続された貯湯タンク、５は燃料電池スタック３で電気エネルギーとして発生した直流電力が入力され、この直流電力を交流電力に変換する電力変換装置である。
【００２３】
一方、６は制御装置で、この制御装置６は燃料電池スタック３に対して、原燃料、空気、水素リッチなガスなどを供給・制御するために必要な機器類との間で信号の授受を行う機器類制御手段と電力変換装置５の間で信号の授受を行う電力制御手段から構成されているが、ここでは電力変換装置５の間で信号の授受を行う電力制御手段を中心に説明する。
【００２４】
また、９はこの制御装置６に燃料電池スタック３と電力変換装置５との間を結ぶ直流ラインに設けられた直流電圧検出手段で、この直流電圧検出手段９により検出された直流電圧信号９ａは電力変換装置５及び制御装置６にそれぞれ入力される。
【００２５】
ここで、上記電力変換装置５は、図２に示すように直流電力を交流電力に変換する電力変換部５ａ、この電力変換部５ａを制御する制御部５ｂ及び電力変換部５ａの入力側に設けられたスイッチング回路５ｃから構成されている。
【００２６】
また、上記制御装置６は、電力変換装置５の制御部５ｂに発電電力指令値７を出力すると共に、電力変換装置５のスイッチング回路５ｃに直流電圧検出手段９により検出された直流電圧信号９ａが設定値より低下すると、スイッチングゲートＯＮ／ＯＦＦ信号８を出力する機能を備えている。
【００２７】
次に上記のように構成された燃料電池制御装置の作用について説明する。
【００２８】
まず、通常時の作用を述べる。
【００２９】
図１において、天然ガスやプロパンガスなどの原燃料は、水素生成器１で水素リッチなガスに改質され、燃料電池スタック３に供給される。同時に、送風機２により空気が燃料電池スタック３に供給され、水素と空気中の酸素から電気化学反応により電気と熱が発生する。
【００３０】
この燃料電池スタック３で発生した熱は温水循環ラインを通って回収され、貯湯タンク４に貯えられ、家庭の熱負荷として利用される。
【００３１】
一方、燃料電池スタック３で発生した直流電力は、電力変換装置５により交流電力に変換され、商用電力系統と連系運転し、家庭内の電力負荷で消費される。
【００３２】
発電に際しては、制御装置６の機器類制御手段により適正な量の原燃料と空気の供給、水素生成器１の温度制御、排熱回収、電力変換装置５の出力電力変更など、各機器、プロセス量の制御を行う。
【００３３】
そして、通常運転時の電力変換装置５は、制御装置６より発電電力指令値７を受け取り、制御部５ｂによる電力変換部５ａの制御により発電電力指令値通りの電力制御を行う。
【００３４】
このような制御が行われているとき、原燃料、空気、水素などの変動により急激に燃料電池スタック３より出力される直流電圧が低下すると、制御装置６から電力変換装置５のスイッチング回路５ｃに図３に示すようなスイッチングゲートＯＮ／ＯＦＦ信号が入力され、間欠的に電力変換部５ａへの直流電力の入力が停止する状態となる。
【００３５】
すると、燃料電池スタック３の出力電圧が徐々に上昇し、所定の電圧まで上昇した時点でスイッチングゲートＯＮ／ＯＦＦ信号を常時ＯＮにして通常の運転状態へ復活させる。
【００３６】
なお、制御部５ｂより電力変換部５ａを制御する電力変換のためのスイッチングゲートパルスは、数ｋＨｚ〜数十ｋＨｚの高速なＯＮ／ＯＦＦ信号であるが、ここでのスイッチングゲートＯＮ／ＯＦＦ信号８は、制御部５ｂにより電力変換部５ａを高速なスイッチングを行う時間をＯＮ、行わない時間をＯＦＦとして表現している。
【００３７】
このように第１の実施形態によれば、燃料電池スタック３の直流電圧が急激に低下した場合、制御装置６よりスイッチングゲートＯＮ／ＯＦＦ信号８を出力して電力変換装置５のスイッチング回路５ｃをスイッチング制御することにより、電力変換装置５の入力電流、すなわち燃料電池スタック３の出力電流を抑制することができるので、燃料電池スタック３の直流電圧が上昇する。例えば、スイッチングゲートＯＮ／ＯＦＦを１ミリ秒周期で実施した場合は、直流電流は１／２に低下し、直流電圧が安定運転可能な電圧まで上昇する。
【００３８】
このとき、ＯＮ／ＯＦＦ周期を短くしているため、燃料電池スタック３内部での局所的な電気化学反応の促進による水素欠乏、酸素欠乏などは発生せず、燃料電池スタック３の特性に影響を与えることはない。
【００３９】
また、スイッチングゲートＯＮ／ＯＦＦ信号８のＯＮ／ＯＦＦ間隔、周期を変更することにより、あらゆるレベルに燃料電池スタック３の出力電流を変更することが可能である。例えば、１ミリ秒のＯＦＦと３ミリ秒のＯＮを繰返すことにより、燃料電池スタック３の出力電流は変更開始前の７５％となる。
【００４０】
以上は電力変換装置５の制御部５ｂにより制御される電力変換部５ａの入力側にスイッチング回路５ｃを設ける場合について述べたが、電力変換部５ａの出力側にスイッチング回路５ｃを設けて電力変換装置５の出力電力を制限するようにしても上記と同様の作用効果を得ることができる。
【００４１】
また、スイッチングゲートＯＮ／ＯＦＦ信号８は、電力変換装置５の制御部５ｂに入力し、制御部５ｂ経由でスイッチング回路５ｃを動作させても同様の作用効果を得ることができる。
【００４２】
さらに、直流電圧信号９ａは、電力変換装置５の制御部５ｂに入力されていることから、制御装置６の代わりに制御部５ｂが判断を行い、スイッチング回路５ｃを動作させても同様の作用効果を得ることができる。
【００４３】
（第２の実施形態）
図４は本発明による燃料電池制御装置の第２の実施形態を説明するためのスイッチングゲートＯＮ／ＯＦＦ信号を示す図である。なお、燃料電池制御装置の構成は図１と同様なので、ここではその説明を省略する。
【００４４】
第２の実施形態では、燃料電池スタック３より出力される直流電圧の低下時に制御装置６より電力変換装置５のスイッチング回路５ｃに出力されるスイッチングゲートＯＮ／ＯＦＦ信号として、ＯＮ／ＯＦＦの間隔を例えば図４に示すように徐々に変化させて通常の運転状態に復活させるようにしたものである。
【００４５】
すなわち、まず、制御装置６より電力変換装置５のスイッチング回路５ｃに与えるスイッチングゲートＯＮ／ＯＦＦ信号として、図４（ａ）に示すように１ミリ秒のＯＦＦと１ミリ秒のＯＮを繰返すことにより、燃料電池スタック３の出力電流を変更開始前の５０％とし、次に同図（ｂ）に示すように１ミリ秒のＯＦＦと２ミリ秒のＯＮを繰返すことにより、燃料電池スタック３の出力電流を６６％とし、その後同図（ｃ）に示すように１ミリ秒のＯＦＦと３ミリ秒のＯＮを繰返すことにより、燃料電池スタック３の出力電流を７５％とし、次いで同図（ｄ）に示すように１ミリ秒のＯＦＦと４ミリ秒のＯＮを繰返すことにより、燃料電池スタック３の出力電流を８０％とするという具合に変化させて、通常運転に復帰させる。
【００４６】
このようにスイッチングゲートＯＮ／ＯＦＦ信号のＯＮ／ＯＦＦの間隔を徐々に変化させることにより、通常運転状態に復帰するまでの燃料電池スタック３の発電電力変化が第１の実施形態よりも緩やかとなり、より耐久性を高くすることができる。
【００４７】
上記実施形態では、スイッチングゲートＯＮ／ＯＦＦ信号のＯＮ／ＯＦＦの間隔を変化させたが、ＯＮ／ＯＦＦの周期を徐々に変更しても同様の効果を得ることができる。
【００４８】
（第３の実施形態）
図５は本発明による燃料電池制御装置の第３の実施形態を示すブロック構成図で、図１と同一部分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述べる。
【００４９】
前述した第１の実施形態又は第２の実施形態において、所定時間内に燃料電池スタック３の直流電圧の低下が所定回数繰返した場合は、一時的ではない何らかの直流電圧低下の原因が発生していることが考えられる。
【００５０】
第３の実施形態では、図５に示すように制御装置６内に燃料電池スタック３の直流電圧の低下発生回数を記録する回数記録手段１０を設け、この回数記録手段１０に所定時間内に記録された直流電圧の低下発生回数が所定の回数を超えた場合にはスイッチングゲートＯＮ／ＯＦＦ信号８のＯＮ／ＯＦＦ動作を継続させ、燃料電池スタック３の発電出力を低下させた状態で運転を継続させるようにしたものである。
【００５１】
このような構成の燃料電池制御装置において、急激に燃料電池スタック３の直流電圧が低下すると、第１の実施形態と同様に制御装置６より電力変換装置５のスイッチング回路５ｃに出力されるスイッチングゲートＯＮ／ＯＦＦ信号により、燃料電池スタック３の直流電圧が設定電圧まで上昇した後は、スイッチングゲートＯＮ／ＯＦＦ信号を常時ＯＮとして、通常の運転状態に復活させる。
【００５２】
その後、再度燃料電池スタック３の直流電圧が設定電圧よりも低下すると、前述同様にスイッチングゲートＯＮ／ＯＦＦ信号のＯＮ／ＯＦＦにより、燃料電池スタック３の直流電圧が設定電圧まで上昇するという動作を繰返した時点で回数記録手段１０により直流電圧の低下回数を記録し、所定時間内に所定回数を超えた場合にスイッチングゲートＯＮ／ＯＦＦ信号のＯＮ／ＯＦＦ動作を継続させ、燃料電池スタック３の発電出力を低下させた状態で運転を継続する。
【００５３】
このようにすれば、所定時間内に直流電圧の低下回数が所定回数を超えた場合にスイッチングゲートＯＮ／ＯＦＦ信号のＯＮ／ＯＦＦ動作を継続させ、燃料電池スタック３の発電出力を低下させた状態で運転を継続することにより無理な出力変動を無くすことが可能となり、燃料電池スタック３や、その他故障箇所への影響を最小限に抑えることができる。
【００５４】
（第４の実施形態）
図６は本発明による燃料電池制御装置の第４の実施形態を示すブロック構成図で、図１と同一部分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述べる。
【００５５】
第４の実施形態では、図６に示すように制御装置６内に燃料電池スタック３の直流電圧が設定値よりも低下し、スイッチングゲートＯＮ／ＯＦＦ信号のＯＮ／ＯＦＦを開始した時点で時刻計測を開始する時刻計測手段１１を設け、この時刻計測手段１１による計測時間が所定時間以上経過しても燃料電池スタック３の直流電圧が設定電圧以上の電圧まで上昇しないとき、発電電力指令値７をスイッチングゲートＯＮ／ＯＦＦ信号のＯＮ／ＯＦＦ間隔又は周期から決まる出力低減割合に応じて低下させ、燃料電池スタック３の発電出力を低下させた状態で運転を継続させるようにしたものである。
【００５６】
このようにすれば、前述した第１の実施形態又は第２の実施形態の動作を継続させることなく、燃料電池スタック３が安定運転可能な出力で運転を継続することができる。また、燃料電池スタック３の直流電圧が経時的に低下してきた場合にも、燃料電池スタック３の出力を下げた状態で安定した運転を継続することができる。
【００５７】
（第５の実施形態）
図７は本発明による燃料電池制御装置の第５の実施形態を示すブロック構成図で、図１と同一部分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述べる。
【００５８】
第５の実施形態では、電力変換装置５にスイッチング回路を設けずに、制御装置６に運転可能な最低出力の発電電力指令値７ａを設定し、燃料電池スタック３の直流電圧が設定値より低下すると、制御装置６より電力変換装置５の変換部に運転可能な最低出力とすべき発電電力指令値７ａを制御部に与えるようにしたものである。
【００５９】
このような構成の燃料電池制御装置において、通常運転時は制御装置６より電力変換装置５の制御部に与えられる発電電力指令値７により指令値通りの電力制御が行われている。
【００６０】
図８は、燃料電池スタック３の直流電流と直流電圧との関係を示す特性図である。
【００６１】
いま、電力変換装置５の電力制御により図８の（イ）点で運転を行っているとき、原燃料、空気、水素などの変動により急激に直流電圧が低下すると、運転点が図８の（イ）点から（ロ）点に移行し、直流電圧が低下すると同時に直流電流が増加する。
【００６２】
すると、制御装置６は、図８に示す直流電流―直流電圧の特性において、制御可能な最低出力とする発電電力指令値７ａを電力変換装置５に伝送すると、運転点が（ロ）点から（ハ）点に移行する。そして、電圧低下の原因が一時的なものであれば、（ハ）点の最低出力で一定時間運転している間に、運転点が（ハ）点から（ニ）点に移行する。
【００６３】
この運転点が（ニ）点に移行してから一定時間経過後、制御装置６から電力変換装置５に伝送される発電電力指令値７を元の値に戻し、（イ）点の運転状態に復活させる。
【００６４】
本実施形態によれば、通常運転状態にあるとき、原燃料、空気、水素などの変動により急激に直流電圧が低下しても、発電電力を最低出力まで低下させることにより燃料電池スタック３の直流電圧が上昇するので、継続運転を行うことができる。
【００６５】
また、一時的な直流電圧の低下であれば、発電電力指令値７を元の値に戻した後も、前回の出力設定値のまま運転を継続することができる。
【００６６】
なお、制御可能な最低出力としても、さらに直流電圧が低下する場合は、運転継続が不可能なため、停止することになるが、他の保護システムで検出できなくても自動的に停止に至ることから、安全性の高いシステムとすることができる。
【００６７】
（第６の実施形態）
図９は本発明による燃料電池制御装置の第６の実施形態を示すブロック構成図で、図１と同一部分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述べる。
【００６８】
第６の実施形態では、図９に示すように電力変換装置５にスイッチング回路を設けずに、制御装置６に運転可能な最低出力の発電電力指令値７ａを設定し、且つ制御装置６内に設定値以下の直流電圧の低下と定常運転状態への復帰との繰返し回数を記録する回数記録手段１０を設け、この回数記録手段１０に所定時間内に記録された繰返し回数が所定の回数を超えた場合には、制御装置６より運転可能な最低出力となし得る発電電力指令値７ａを電力変換装置５の制御部に与えて、燃料電池スタック３の発電出力を最低値として運転を継続させるようにしたものである。
【００６９】
このような構成の燃料電池制御装置において、電力変換装置５の電力制御により通常運転を行っているとき、原燃料、空気、水素などの変動により急激に直流電圧が低下すると、第５の実施形態と同様に発電電力指令値７を制御可能な最低出力として燃料電池スタック３の直流電圧を復活させる。そして、一定時間経過後に元の発電電力指令値７に戻した後、再度直流電圧が設定値以下に低下し、発電電力指令値を運転可能な最低出力まで低下させるという動作を繰返したときに、その発電電力指令値を運転可能な最低出力まで低下させた回数を回数記録手段１０に記録し、所定の時間内に最低出力まで低下させた回数が所定の回数を超えたとき、発電電力指令値７ａを電力変換装置５に与えて運転可能な最低出力での運転を継続させ、燃料電池スタック３の発電出力を低下させた状態で運転を継続する。
【００７０】
本実施形態によれば、第５の実施形態の動作が所定時間内に所定の回数以上繰返した場合は、一時的ではない何らかの直流電圧の低下原因が発生しているものとして、無理な出力変動を止めることにより、燃料電池スタック３や、その他故障箇所への影響を最小限に抑えることができる。さらに、燃料電池スタック３の経時変化により直流電圧が低下してきた場合にも、電力変換装置５の出力を下げて安定した運転を継続することができる。
【符号の説明】
【００７１】
１…水素生成器、２…送風機、３…燃料電池スタック、４…貯湯タンク、５…電力変換装置、６…制御装置、７，７ａ…発電電力指令値、８…スイッチングゲートＯＮ／ＯＦＦ信号、９…直流電圧検出手段、９ａ…直流電圧検出信号、１０…回数記録手段、１１…時刻計測手段
【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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【図９】
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