(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池からの電力をパワーコンディショナにより昇圧・変換して外部負荷へ供給するとともに、前記パワーコンディショナを介して前記燃料電池の余剰電力を余剰ヒータへ供給する燃料電池システムであって、
前記余剰ヒータの排熱を回収するための排熱回収系を備え、
前記パワーコンディショナは、前記余剰ヒータへ供給される電流を計測する電流センサを含み、
前記余剰ヒータへの電流値は、前記電流センサの温度誤差による最大誤差電流値と前記排熱回収系への電流値とを加算した分だけ前記外部負荷への電流値よりも小さくなるように予め調整されること、
を特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
燃料電池からの電力をパワーコンディショナにより昇圧・変換して外部負荷へ供給するとともに、前記パワーコンディショナを介して前記燃料電池の余剰電力を余剰ヒータへ供給し、かつ、前記余剰ヒータの排熱を回収するための排熱回収系を含む燃料電池システムの調整方法であって、
前記燃料電池から前記パワーコンディショナを介して前記外部負荷へ所定電力を供給する際における前記パワーコンディショナの入力電流値を計測する負荷側計測ステップと、
前記燃料電池から前記パワーコンディショナを介して前記余剰ヒータへ前記所定電力を供給する際における前記パワーコンディショナの入力電流値を計測するヒータ側計測ステップと、
前記ヒータ側計測ステップで計測された入力電流値が、前記負荷側計測ステップで計測された入力電流値よりも小さくなるように調整するとともに、前記ヒータ側計測ステップで計測された入力電流値と前記負荷側計測ステップで計測された入力電流値との差分を、前記パワーコンディショナに含まれ前記余剰ヒータへの電流値を計測する電流センサの温度誤差による誤差電流値に基づいて設定する調整ステップと、
を備え、
前記調整ステップは、前記ヒータ側計測ステップで計測された入力電流値と前記負荷側計測ステップで計測された入力電流値との差分を、前記電流センサの温度誤差による最大誤差電流値と前記排熱回収系への電流値とを加算した値となるように設定すること、
を特徴とする燃料電池システムの調整方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システム及びその調整方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の燃料電池システムとして、燃料電池からの電力を昇圧・変換するパワーコンディショナを備えるものが知られている（例えば、特許文献１参照。）。このシステムでは、燃料電池に接続されたパワーコンディショナを介して外部負荷に電力が供給されるとともに、当該パワーコンディショナを介して燃料電池の運転時に余った電力が余剰電力として余剰ヒータ（ＤＣヒータ）に通電される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００８−５３０３９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、従来の燃料電池システムのように余剰ヒータを用いて余剰電力を消費する場合には、事前に余剰ヒータの調整を行う必要がある。例えば、定格運転時の供給目標電力である定格電力を外部負荷へ全て供給し余剰ヒータへ全く電力供給しない場合と、外部負荷へ全く電力供給せずに定格電力を余剰ヒータへ全て供給する場合とにおいて、パワーコンディショナへの入力電流値が同一となるように調整される。
【０００５】
しかしながら、上述した余剰ヒータへの電流調整を実施した場合であっても、外部因子による影響を受けて燃料電池から余剰ヒータへ供給される電力が増大するおそれがある。燃料電池から出力される電力が定格運転での電力値を超える場合、燃料電池が過負荷となる。このような事態を回避するためには、余剰ヒータへの供給電流を外部負荷への供給電流に比べて予め小さく調整する方法が考えられる。しかしながら、余りにも小さく設定すると余剰ヒータの機能である余剰電力の消費を充分に行うことができなくなるため、外部負荷の変動に対して燃料電池から安定した電力供給が困難となる。
【０００６】
そこで、本発明は、燃料電池の過負荷の抑制及び供給電力の安定化を適切に両立させることができる燃料電池システム、及び燃料電池の過負荷の抑制及び供給電力の安定化のバランスが適切となるように調整することができる燃料電池システムの調整方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するため、本発明に係る燃料電池システムは、燃料電池からの電力をパワーコンディショナにより昇圧・変換して外部負荷へ供給するとともに、前記パワーコンディショナを介して前記燃料電池の余剰電力を余剰ヒータへ供給する燃料電池システムであって、前記余剰ヒータの排熱を回収するための排熱回収系を備え、前記パワーコンディショナは、前記余剰ヒータへ供給される電流を計測する電流センサを含み、前記余剰ヒータへの電流値は、前記電流センサの温度誤差による最大誤差電流値と前記排熱回収系への電流値とを加算した分だけ前記外部負荷への電流値よりも小さくなるように予め調整されることを特徴として構成される。
【０００８】
この燃料電池システムは、余剰ヒータへ供給される電流値が電流センサの温度誤差による誤差電流値に基づいて外部負荷への電流値よりも小さくなるように予め設定されている。このように構成することで、余剰ヒータが動作する際に、余剰ヒータへの供給電流が、電流センサの温度誤差によって生じる誤差電流値を考慮して外部負荷への電流値よりも小さい値となる。このため、外部因子により温度センサに誤差が生じて余剰ヒータへの供給電流が増加する場合であっても余剰ヒータへの供給電流が外部負荷への電流値よりも大きくなることを回避できるので、燃料電池が過負荷となることを抑制することが可能となる。さらに、余剰ヒータへ供給される電流値の減少量が電流センサの誤差電流値に基づいて設定することができるので、余剰ヒータによる余剰電力消費に与える影響を最小限にすることが可能となる。よって、燃料電池の過負荷の抑制及び供給電力の安定化を適切に両立させることができる。
【００１０】
さらに、このように構成することで、電流センサへの電流値が、電流センサの温度誤差による誤差電流値及び排熱回収系への供給電流値に基づいて外部負荷への電流値よりも小さくなる。このため、電流センサの温度誤差が生じるとともに排熱回収系の作動により燃料電池の負荷が増加した場合であっても、燃料電池が過負荷となることを抑制することができるとともに供給電力の安定化を図ることが可能となる。
【００１２】
また、本発明に係る燃料電池システムの調整方法は、燃料電池からの電力をパワーコンディショナにより昇圧・変換して外部負荷へ供給するとともに、前記パワーコンディショナを介して前記燃料電池の余剰電力を余剰ヒータへ供給し、かつ、前記余剰ヒータの排熱を回収するための排熱回収系を含む燃料電池システムの調整方法であって、前記燃料電池から前記パワーコンディショナを介して前記外部負荷へ所定電力を供給する際における前記パワーコンディショナの入力電流値を計測する負荷側計測ステップと、前記燃料電池から前記パワーコンディショナを介して前記余剰ヒータへ前記所定電力を供給する際における前記パワーコンディショナの入力電流値を計測するヒータ側計測ステップと、前記ヒータ側計測ステップで計測された入力電流値が、前記負荷側計測ステップで計測された入力電流値よりも小さくなるように調整するとともに、前記ヒータ側計測ステップで計測された入力電流値と前記負荷側計測ステップで計測された入力電流値との差分を、前記パワーコンディショナに含まれ前記余剰ヒータへの電流値を計測する電流センサの温度誤差による誤差電流値に基づいて設定する調整ステップと、を備え、前記調整ステップは、前記ヒータ側計測ステップで計測された入力電流値と前記負荷側計測ステップで計測された入力電流値との差分を、前記電流センサの温度誤差による最大誤差電流値と前記排熱回収系への電流値とを加算した値となるように設定する。
【００１４】
本発明に係る燃料電池システムの調整方法によれば、上述した燃料電池システムと同様の効果を奏する。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、燃料電池の過負荷の抑制及び供給電力の安定化を適切に両立させることができる。また、燃料電池の過負荷の抑制及び供給電力の安定化のバランスが適切となるように調整することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明に係る燃料電池システムの一実施形態の構成概要図である。
【図２】図１の燃料電池システムの調整動作を示すフローチャートである。
【図３】図１の燃料電池システムの調整方法を説明する概要図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明の好適な実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、各図において同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明を省略する。
【００１８】
本実施形態に係る燃料電池システムは、例えば、家庭用の燃料電池システムとして好適に採用されるものである。図１は、本発明に係る燃料電池システムの一実施形態の構成概略図である。図１に示されるように、燃料電池システム１は、燃料電池２を備えている。燃料電池２は、直流電源（ＤＣ電源）であって、外部負荷（家庭内負荷）９へ電力を供給するものである。燃料電池２としては、例えば、原燃料が改質されて生成された改質ガスを用いて発電を行う固体高分子形の燃料電池が用いられる。
【００１９】
燃料電池２には、パワーコンディショナ（ＰＣＳ：Power  Conditioning  Subsystem）３が接続されおり、燃料電池２から出力された電力はパワーコンディショナ３へ供給される。パワーコンディショナ３は、燃料電池２の出力電力を家庭等で用いることができるように調整する装置であって、昇圧器３０及び変換器３１を備えている。昇圧器３０は、燃料電池２から出力された電力を昇圧する機能を有している。また、変換器３１は、昇圧器３０に接続されており、昇圧器３０から出力された直流電力を交流電力へ変換する機能を有している。そして、このパワーコンディショナ３は、その出力側が外部負荷９に接続されている。このように構成されるため、燃料電池２の電力は、パワーコンディショナ３の昇圧器３０により昇圧され、変換器３１により交流電力に変換されて、外部負荷９へ供給される。なお、外部負荷９には、交流電源である系統電源８が接続されており、系統電源８からの電力と燃料電池２からの電力とを併用可能に構成されている。
【００２０】
ここで、外部負荷９の消費電力が急激に減少した場合、燃料電池２は急激な出力変更を行うことが困難であるため、燃料電池２の発電電力が外部負荷９の消費電力を上回り、余剰電力が発生する場合がある。余剰電力については、系統用電源側へ逆潮流させる手法も考えられるが、ここでは、発生した余剰電力を消費するために余剰ヒータ４が設けられている。この余剰ヒータ４は、パワーコンディショナ３内部の電力制御器３３の出力側に接続され、余剰電力の発生に伴って作動される。余剰ヒータ４としては例えば電熱ヒータ等が用いられる。
【００２１】
また、燃料電池システム１は、余剰ヒータ４が発生する熱を回収する排熱回収系を備えている。この排熱回収系は、家庭用の水が貯留される貯湯タンク７、貯湯タンク内の水を循環経路内に循環させる水ポンプ６、水ポンプ６の下流側に設けられた熱交換器５を備えている。熱交換器５は、余剰ヒータ４の熱を循環経路内の循環水が授受できるように構成されている。このため、貯湯タンク７内の水は、水ポンプ６により循環経路を循環し、熱交換器５により余剰ヒータ４の熱を回収して再び貯湯タンク７内に貯留される。なお、この排熱回収系は電源として燃料電池２を利用している。また、排熱回収系として、放熱ファン等を備えても良い。
【００２２】
以上の燃料電池システム１の構成機器類は、電装機器類であるシステム制御装置１１により動作が制御される。システム制御装置１１は、燃料電池システム１に備わるセンサ類や、利用者の利用状況等に応じて構成機器類の制御（例えば、燃料供給ポンプ１０の制御）を行う。なお、システム制御装置１１は、パワーコンディショナ３のＰＣＳ制御装置３２と双方向の通信を行っており、システムの制御に必要な各部の電流値、及び電力値の情報を得ている。パワーコンディショナ３では、燃料電池の電流値を計測する電流センサ３６、パワーコンディショナ３の出力電流値を計測する電流センサ３５、系統電源８の電流値を計測する電流センサ１２、余剰ヒータ４への電流値を計測する電流センサ３４等が用いられ、ＰＣＳ制御装置３２にて各部位の電流値から電力値を求め、交流出力ならびに余剰ヒータ出力の制御を行っている。
【００２３】
ＰＣＳ制御装置３２は、燃料電池２の定格運転時において外部負荷９の消費電力が急激に減少した場合には、余剰ヒータ４側へ燃料電池２の電力を供給して余剰電力を消費させる。余剰ヒータ４が動作するとシステム制御装置１１では水ポンプ６を作動させて熱回収を行う。ここで、余剰ヒータ４へ供給される電流値は、予め運転前に調整される。以下では図２を用いて余剰ヒータ４へ供給される電流値の調整動作を説明する。図２は、パワーコンディショナ３の調整動作を示すフローチャートである。図２に示す制御処理は、例えばパワーコンディショナ３の調整検査時に実行する。なお、説明理解の容易性を考慮して、図３に示す概要図を適宜参照して図２に示す制御処理を説明する。図３は、燃料電池システム１の調整方法を説明する概要図である。
【００２４】
図２に示すように、ＰＣＳ制御装置３２は、定格運転時に外部負荷９へ電力供給する際のパワーコンディショナ３の入力電流値Ａｐ１を測定する（Ｓ１０：負荷側計測ステップ）。ＰＣＳ制御装置３２は、図３のＡ１に示す供給路に沿って燃料電池２からパワーコンディショナ３を介して外部負荷９に電力を供給するとともに、パワーコンディショナ３の入力電流値を電流センサ３６により測定する。この時の測定条件は、図３中に示す測定条件１である。すなわち、余剰ヒータ４はＯＦＦされており、パワーコンディショナ３が余剰ヒータ４側へ出力する電力は０［Ｗ］である。そして、パワーコンディショナ３が外部負荷９側へ出力する電力はＸ［Ｗ］である。このＸ［Ｗ］は、燃料電池の定格運転時の目標電力（定格電力）であって、例えば７５０［Ｗ］が用いられる。
【００２５】
次に、ＰＣＳ制御装置３２は、定格運転時に余剰ヒータ４へ電力供給する際のパワーコンディショナ３の入力電流値を測定する（Ｓ１２：ヒータ側計測ステップ）。ＰＣＳ制御装置３２は、図３のＡ２に示す供給路に沿って燃料電池２からパワーコンディショナ３を介して余剰ヒータ４に電力を供給するとともに、パワーコンディショナ３の入力電流値Ａｐ２を電流センサ３６により測定する。この時の測定条件は、図３中に示す測定条件２である。すなわち、余剰ヒータ４はＯＮされており、パワーコンディショナ３が余剰ヒータ４側へ出力する電力はＸ＋α［Ｗ］である。このＸ［Ｗ］は、燃料電池の定格運転時の目標電力であって、例えば７５０［Ｗ］が用いられる。また、αは、供給路Ａ１と供給路Ａ２との抵抗差分（損失差）から生じる電力であり、具体的には変換器３１及び電力制御器３３が有する抵抗値に基づいて決定される。一方、パワーコンディショナ３が外部負荷９側へ出力する電力は０［Ｗ］である。
【００２６】
次に、ＰＣＳ制御装置３２は、Ｓ１０の処理で計測した入力電流値Ａｐ１と、Ｓ１２の処理で計測した入力電流値Ａｐ２を比較して、入力電流値Ａｐ２の調整を行う（Ｓ１４，Ｓ１６：調整ステップ）。ＰＣＳ制御装置３２は、図３のＡ２に示す供給路に沿って燃料電池２からパワーコンディショナ３を介して余剰ヒータ４に電力を供給して入力電流値Ａｐ２を計測しつつ、パワーコンディショナ３の入力電流値Ａｐ２が入力電流値Ａｐ１よりも小さくなるように調整する。この調整は、例えばパワーコンディショナ３に備わる調整機構により行われる。ＰＣＳ制御装置３２は、入力電流値Ａｐ２と入力電流値Ａｐ１との差分（すなわち入力電流値Ａｐ１に比べて減少させる減少量）を、パワーコンディショナ３に備わる電流センサ３４の温度ドリフト（温度誤差）を考慮して決定する。例えば、ＰＣＳ制御装置３２は、電流センサ３４の測定値の温度依存性を示す温度ドリフト曲線を予め取得しておき、パワーコンディショナ３の稼動時における想定温度範囲に基づいて、電流センサ３４の温度誤差を特定する。そして、ＰＣＳ制御装置３２は、例えば、温度誤差の最大値である最大温度誤差における電流値のずれ量を、入力電流値Ａｐ１に比べて減少させる減少量として決定する。より好適には、ＰＣＳ制御装置３２は、排熱回収系を構成する電気機器（ここでは水ポンプ６）の動力分もさらに考慮して入力電流値Ａｐ１に比べて減少させる減少量を決定してもよい。例えば、ＰＣＳ制御装置３２は、予め水ポンプ６の動作に必要な電流値を計測しておき、計測した電流値と最大温度誤差による電流値（最大誤差電流値）とを加算した値に基づいて上記減少量を決定する。例えば、ＰＣＳ制御装置３２は、温度ドリフトによるずれ幅を±Ｗ１、排熱回収系の動作により必要となる電力をＷ２とすると、減少量Ｇを以下の式１を用いて設定する。
Ｇ＝｜±Ｗ１＋Ｗ２｜      …（１）
ＰＣＳ制御装置３２が入力電流値Ａｐ２の調整を終了すると、図２に示す制御処理を終了する。
【００２７】
図２に示す制御処理を実行することで、余剰ヒータ４のＯＮ時におけるパワーコンディショナ３の入力電流値Ａｐ２が、余剰ヒータ４のＯＦＦ時におけるパワーコンディショナ３の入力電流値Ａｐ１に比べて小さく調整され、その減少量が余剰ヒータ４用の電流センサ３４の温度誤差による電流値のずれ量及び余剰ヒータ４のＯＮ時において動作する排熱回収系の消費電力に基づいて設定される。このように調整されることで、電流センサ３４の温度誤差の影響を予め含めて小さくすることができるので、余剰ヒータ４ＯＮ時に燃料電池２から供給される電力が余剰ヒータ４ＯＦＦ時よりも増加することを回避することが可能となり、結果として燃料電池２が過負荷となることを抑制することができる。さらに、余剰ヒータ４ＯＮ時において作動する排熱回収系の消費電力を予め含めて小さくすることが可能となるので、排熱を回収するために作動した機器類の負荷によって燃料電池２が過負荷となることを回避することができる。そして、上記のように減少量を設定することで、余剰ヒータ４の余剰電力消費能力を著しく阻害することなく、燃料電池２の過負荷を抑えることができる。
【００２８】
以上、本実施形態に係る燃料電池システム１又は燃料電池システム１の調整方法によれば、余剰ヒータ４へ供給される電流値が電流センサ３４の温度誤差による誤差電流値に基づいて外部負荷への電流値よりも小さくなるように予め設定されている。このように構成することで、余剰ヒータ４が動作する際に、余剰ヒータ４への供給電流が、電流センサ３４の温度誤差によって生じる誤差電流値を考慮して外部負荷９への電流値よりも小さい値となる。このため、外部因子により電流センサ３４に誤差が生じて余剰ヒータ４への供給電流が増加する場合であっても余剰ヒータ４への供給電流が外部負荷９への電流値よりも大きくなることを回避できるので、燃料電池２が過負荷となることを抑制することが可能となる。さらに、余剰ヒータ４へ供給される電流値の減少量が電流センサ３４の誤差電流値に基づいて設定することができるので、余剰ヒータ４による余剰電力消費に与える影響を最小限にすることが可能となる。よって、燃料電池２の過負荷の抑制及び供給電力の安定化を適切に両立させることができる。
【００２９】
本発明は、上述した実施形態に限定されるものではない。
【００３０】
電流センサ３４，３５，３６として、パワーコンディショナ３の内部に配置されたものを説明したが、パワーコンディショナ３の外部に配置されていてもよい。
【符号の説明】
【００３１】
１…燃料電池システム、２…燃料電池、３…パワーコンディショナ、４…余剰ヒータ、５…熱交換器（排熱回収系系）、６…水ポンプ（排熱回収系）、７…貯湯タンク（排熱回収系）、８…系統電源、９…外部負荷、１０…燃料供給ポンプ、１１…システム制御装置、１２，３４，３５，３６…電流センサ、３０…昇圧器、３１…変換器、３２…ＰＣＳ制御装置、３３…電力制御器。
【図１】
0005535689.tif 000002
【図２】
0005535689.tif 000003
【図３】
0005535689.tif 000004