(57)【要約】【課題】交流電力出力波形計測手段により、交流電力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行うことができる燃料電池システムの故障診断制御装置を提供する。【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、起動から発電までの一連の動作を制御する運転制御手段１４と、直流交流変換手段１２からの出力波形を計測する交流電力出力波形計測手段１５を備え、運転制御手段１４は、交流電力出力波形計測手段１５により、直流交流変換手段１２から出力される交流電力の出力波形を逐一計測し、直流交流変換手段１２の故障診断をすることにより、外部に計測機器を必要とせず、故障診断を確実に実施し、安全な発電制御を行うことができる。【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、商用電源とともに家庭内負荷に交流電力を供給する直流交流変換手段と、起動から発電までの一連の動作を制御する運転制御手段と、前記直流交流変換手段からの出力波形を計測する交流電力出力波形計測手段を備え、前記運転制御手段は、前記交流電力出力波形計測手段により、前記直流交流変換手段から出力される交流電力の出力波形を逐一計測し、前記直流交流変換手段の故障診断をすることを特徴とする燃料電池システムの故障診断制御装置。
【請求項２】
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、商用電源とともに家庭内負荷に交流電力を供給する直流交流変換手段と、起動から発電までの一連の動作を制御する運転制御手段と、前記燃料電池から前記直流交流変換手段に入力される直流電力の入力波形を計測する直流電力入力波形計測手段を備え、前記運転制御手段は、前記直流電力入力波形計測手段により、前記燃料電池から前記直流交流変換手段に入力される直流電力の入力波形を逐一計測し、前記燃料電池および前記直流交流変換手段の故障診断をすることを特徴とする燃料電池システムの故障診断制御装置。
【請求項３】
計測された波形データを蓄積するデータ蓄積手段を備え、運転制御手段は、前記データ蓄積手段により、交流電力出力波形計測手段あるいは直流電力入力波形計測手段において計測された波形データを蓄積することを特徴とする請求項１または請求項２記載の燃料電池システムの故障診断制御装置。
【請求項４】
計測・蓄積された波形データを正規の波形データと比較解析する比較解析手段を備え、運転制御手段は、前記比較解析手段により、波形データを比較解析することを特徴とする請求項３記載の燃料電池システムの故障診断制御装置。
【請求項５】
蓄積された波形データを通信等により転送するデータ転送手段を備え、運転制御手段は、前記データ転送手段により、前記データ蓄積手段において蓄積されていた波形データを通信等を利用して遠隔地へ転送することを特徴とする請求項３記載の燃料電池システムの故障診断制御装置。
【請求項６】
運転制御手段は、複数の燃料電池システムから転送されてきた波形データを一括して集中管理することを特徴とする請求項５記載の燃料電池システムの故障診断制御装置。
【請求項７】
リモコン等の表示手段を備え、運転制御手段は、前記表示手段により、データ蓄積手段において蓄積された計測波形データを表示することを特徴とする請求項３記載の燃料電池システムの故障診断制御装置。
【請求項８】
ＰＣモニタ等を接続可能な外部装置接続手段を備え、運転制御手段は、外部に接続されＰＣモニタ等の表示手段に計測蓄積された波形データを表示することを特徴とする請求項３記載の燃料電池システムの故障診断制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池を用いて発電を行う燃料電池システムの故障診断制御装置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の故障診断制御装置としては、燃料ガス供給源と燃料電池本体を連通する燃料ガス供給配管に設けた開閉弁を故障診断する燃料電池システムがあった。（例えば、特許文献１参照）。図１１は、前記特許文献１に記載された従来の燃料電池システムの故障診断制御装置を示すブロック構成図である。
【０００３】
図１１において、燃料ガス供給源１と燃料電池本体６の間の燃料ガス供給配管４に第１開閉弁２と第２開閉弁３を設け、前記第１開閉弁２と第２開閉弁３の間に燃料ガスの圧力を検出するガスセンサ５を設ける。起動時において、制御部７による制御により、第１開閉弁２、第２開閉弁３が閉弁された状態において、ガスセンサ５により第１開閉弁２の故障診断を行い、続いて第１開閉弁２を開弁した後閉弁し、ガスセンサ５により第２開閉弁３の故障診断を行う。
【特許文献１】特開平０９−０２２７１１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、前記従来の構成では、燃料ガス供給源と燃料電池本体との間の部品の故障診断であり、燃料電池本体より後段の故障診断ではないという課題を有していた。
前記従来の課題に鑑み、本発明が解決しようとする課題は、燃料電池より後段の故障診断を行えるようにすることにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
前記の課題を解決するために、本発明の燃料電池システムの故障診断制御装置は、交流電力出力波形計測手段を備えることにより、直流交流変換手段での故障診断を行うものである。本構成によって、燃料電池より後段の直流交流変換手段での故障診断を行うことができる。
【発明の効果】
【０００６】
本発明の燃料電池システムの故障診断制御装置によれば、燃料電池より後段の直流交流変換手段での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】
【０００７】
第１の発明は、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、商用電源とともに家庭内負荷に交流電力を供給する直流交流変換手段と、起動から発電までの一連の動作を制御する運転制御手段と、前記直流交流変換手段からの出力波形を計測する交流電力出力波形計測手段を備え、前記運転制御手段は、前記交流電力出力波形計測手段により、前記直流交流変換手段から出力される交流電力の出力波形を逐一計測し、前記直流交流変換手段の故障診断をすることにより、外部にオシロスコープやマルチメータ等の計測機器を必要とせず、出力電流や商用電源の電圧波形を計測して、直流交流変換手段の故障診断を確実に実施することができる。
【０００８】
第２の発明は、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、商用電源とともに家庭内負荷に交流電力を供給する直流交流変換手段と、起動から発電までの一連の動作を制御する運転制御手段と、前記燃料電池から前記直流交流変換手段に入力される直流電力の入力波形を計測する直流電力入力波形計測手段を備え、前記運転制御手段は、前記直流電力入力波形計測手段により、前記燃料電池から前記直流交流変換手段に入力される直流電力の入力波形を逐一計測し、前記燃料電池および前記直流交流変換手段の故障診断をすることにより、燃料電池からの電流波形、電圧を計測することにより、燃料電池での発電状況が把握でき、劣化の状況や故障診断が可能となる。またその情報をもとに水素生成に必要な燃料ガス流量の調整、空気流量の調整をすることにより、より最適な制御が可能となる。また直流交流変換手段の入力部の故障診断も可能となる。
【０００９】
第３の発明は、特に第１あるいは第２の発明の燃料電池システムの故障診断制御装置に加え、データ蓄積手段を備え、運転制御手段は、前記データ蓄積手段により、交流電力出力波形計測手段あるいは直流電力入力波形計測手段において計測された波形データを蓄積することにより、異常停止の信号等をトリガとして得られた波形を蓄積しておけば、異常停止後の原因解析に利用でき、迅速な対策、対応を施すことができるようになる。
【００１０】
第４の発明は、特に第３の発明の燃料電池システムの故障診断制御装置に加え、比較解析手段を備え、運転制御手段は、前記比較解析手段により、波形データを比較解析することにより、計測、蓄積された波形データが通常の正規な波形データと比較して、具体的にどの箇所がどう異なるのかを瞬時にしかも的確に判別することができ、原因究明、対策のスピードアップを図ることができる。
【００１１】
第５の発明は、特に第３の発明の燃料電池システムの故障診断制御装置に加え、データ転送手段を備え、運転制御手段は、前記データ転送手段により、データ蓄積手段において蓄積されていた波形データを、通信等を利用して遠隔地へ転送することにより、遠隔地にいても燃料電池システムが運転されている現地の状況を正確にしかもリアルタイムに把握することができる。
【００１２】
第６の発明は、特に第５の発明の運転制御手段は、複数の燃料電池システムから転送されてきた波形データを一括して集中管理することにより、情報を一元管理でき、燃料電池システム相互間の比較が明確になり、故障診断をより総合的、効率的に実施することができるようになる。
【００１３】
第７の発明は、特に第３の発明の燃料電池システムの故障診断制御装置に加え、表示手段を備え、運転制御手段は、前記表示手段により、データ蓄積手段において蓄積された計測波形データを表示することにより、既設の表示手段であるリモコンでの表示を利用して、データの情報を把握することができる。
【００１４】
第８の発明は、特に第３の発明の燃料電池システムの故障診断制御装置に加え、外部装置接続手段を備え、運転制御手段は、外部に接続されたＰＣモニタ等の表示手段に計測蓄積された波形データを表示することにより、ＰＣモニタ等の表示装置を接続可能となり、より詳細にビジュアルに波形情報を確認することができ、的確な判断、対策を講じることができるようになる。
【００１５】
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、本実施の形態によって本発明が限定されるものではない。
【００１６】
（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故障診断制御装置のブロック構成図である。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、商用電源とともに家庭内負荷１３に交流電力を供給する。運転制御手段１４は、起動から発電までの一連の動作を制御する。また、交流電力出力波形計測手段１５は直流交流変換手段１２の出力端に接続され、直流交流変換手段１２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ものである。
【００１７】
ここで、運転制御手段１４は、交流電力出力波形計測手段１５により、直流交流変換手段１２から出力される交流電力の出力波形を逐一計測し、直流交流変換手段１２の故障診断をするものである。
【００１８】
図２の電流波形は、直流交流変換手段１２からの出力電流波形を示す。ここで通常の出力電流Ｉａｃの実効値は、Ｉａｃ(rms)＝５．５Ａであり、ピーク値はその√２倍でＩａｃ（peak）＝７．８Ａであるが、ピーク値Ｉａｃ（peak）の１５０％の相当する１１．７Ａ以上の過電流ピークＩａｃｏを検知して、直流交流変換手段１２が出力停止した場合の一例を示している。
【００１９】
この原因としては、商用電源の瞬時電圧低下、あるいは瞬時停電が想定されるが、商用電源の電圧波形が正規の正弦波形以外計測されておらず、かつ前述の現象が発生する場合は、直流交流変換手段１２の内部回路の故障が原因であると想定される。
【００２０】
かかる構成によれば、外部にオシロスコープやマルチメータ等の計測機器を必要とせず、出力電流や商用電源の電圧波形を計測して、直流交流変換手段の故障診断を確実に実施することができる。
【００２１】
（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故障診断制御装置のブロック構成図である。図３において、図１に示す符号と同じ構成要素については、同一符号を付して詳細な説明を省略し、異なるところを中心に説明する。
【００２２】
図３において、直流電力入力波形計測手段１６は、燃料電池１１から直流交流変換手段１２に入力される直流電力の入力波形を計測するものである。
【００２３】
ここで、運転制御手段１４は、直流電力入力波形計測手段１６により、燃料電池１１から直流交流変換手段１２に入力される直流電力の入力波形を逐一計測し、燃料電池１１および直流交流変換手段１２の故障診断をするものである。
【００２４】
図４は燃料電池１１から直流交流変換手段１２に入力される直流入力電流波形を示している。また、図５は燃料電池１１の出力電圧・電流特性図を示している。Ａ点はオープン電圧でＶｏｃ＝６０Ｖ、Ｂ点はＩｓｃ＝４０Ａを示している。
【００２５】
図５に示すようにＩｄｃは定格出力のＣ点では３０Ａ程度の直流電流であるが、図４に示すようにピーク値で０．５Ａ程度のリップル電流ΔＩｄｃを有している。このリップル電流ΔＩｄｃが増大したり、直流電圧が低下することによりＩｄｃが増大してくると、燃料電池１１の劣化が進行していると想定される。
【００２６】
ここで、電圧Ｖｄｃは下限値Ｖｌｏｗの３０Ｖ以下に低下すると、燃料電池１１の機能を果たせなくなり、前述したように直流電流Ｉｄｃが急激に増大するため、直流交流変換手段１２は燃料電池１１が劣化したとして出力を停止する。
【００２７】
また、燃料電池１１が正常に出力されている場合に、前述したようなリップル電流ΔＩｄｃが増大したり、直流電流Ｉｄｃが増大した場合には、直流交流変換手段１２の入力段の故障と判断して直流交流変換手段１２の出力を停止する。
【００２８】
かかる構成によれば、燃料電池での発電状況が把握でき、劣化の状況や故障診断が可能となる。またその情報をもとに水素生成に必要な燃料ガス流量の調整、空気流量の調整をすることにより、より最適な制御が可能となる。また直流交流変換手段の入力部の故障診断も可能となる。
【００２９】
（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故障診断制御装置のブロック構成図である。図６において、図１または図３に示す符号と同じ構成要素については、同一符号を付して詳細な説明を省略し、異なるところを中心に説明する。
【００３０】
図６において、データ蓄積手段１７は、交流電力出力波形計測手段１５、あるいは直流電力入力波形計測手段１６において計測された波形データを蓄積するもので、不揮発性メモリやＥ２ＲＯＭ等のメモリで構成され、いつでも読み出し書込み可能である。
【００３１】
ここで、運転制御手段１４は、データ蓄積手段１７により、交流電力出力波形計測手段１５、あるいは直流電力入力波形計測手段１６において計測された波形データを蓄積するものである。そして、２４時間常時計測し続けられた波形データは、そのままでは次々に消去されてしまうので、必要な場合、後で確認ができるようにデータ蓄積手段１７にてデータを保存するものである。
【００３２】
かかる構成によれば、異常停止の信号等をトリガとして得られた波形を蓄積しておけば、異常停止後の原因解析に利用でき、迅速な対策、対応を施すことができるようになる。
【００３３】
（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故障診断制御装置のブロック構成図である。図７において、図１、図３および図６に示す符号と同じ構成要素については、同一符号を付して詳細な説明を省略し、異なるところを中心に説明する。
【００３４】
図７において、比較解析手段１８は、交流電力出力波形計測手段１５あるいは直流電力入力波形計測手段１６において計測され、データ蓄積手段１７において蓄積、保存された波形データを正規の波形データと比較解析するものである。
【００３５】
ここで、運転制御手段１４は、比較解析手段１８により、波形データを比較解析するものである。
【００３６】
例えば、図２における直流交流変換手段１２からの出力電流波形が、予め正常動作時に計測された正弦波の電流波形と比較して、どのタイミングで、どの程度の相違点があるか比較し、解析を行うものである。ここでは電流のピークから１／３位相分ずれたタイミングにおいて、過電流ピークＩａｃｏ＝１１．７Ａ以上が発生している。これは、このタイミングにおいて商用電源の瞬時電圧低下が発生したか、あるいは直流交流変換手段１２の内部回路の故障と想定される。
【００３７】
また、図４における燃料電池１１から直流交流変換手段１２に入力される直流電流波形についても、予め正常動作時に計測された電流波形と比較して、リップル電流ΔＩｄｃが大きいかどうか、Ｉｄｃの値が大きいかどうかなど比較し、解析を行うものである。
【００３８】
かかる構成によれば、計測、蓄積された波形データが通常の正規な波形データと比較して、具体的にどの箇所がどう異なるのかを瞬時にしかも的確に判別することができ、原因究明、対策のスピードアップを図ることができる。
【００３９】
（実施の形態５）
図８は本発明の実施の形態５における燃料電池システムの故障診断制御装置のブロック構成図である。図８において、図１、図３、図６および図７に示す符号と同じ構成要素については、同一符号を付して詳細な説明を省略し、異なるところを中心に説明する。
【００４０】
図８において、データ転送手段１９は、データ蓄積手段１７において蓄積されていた波形データを通信等により転送するもので、電話回線や無線回線等を利用して遠隔地へデータを転送する。
【００４１】
ここで、運転制御手段１４は、データ転送手段１９により、データ蓄積手段１７において蓄積されていた波形データを通信等を利用して遠隔地へ転送するものである。
【００４２】
燃料電池システムが、各一般家庭において運転している状況を遠隔地からでも把握でき、故障時におけるデータ解析のための確認はもとより、定期点検時においてもサービスマンが現地に行くことなく確実に実施することが可能となる。
【００４３】
かかる構成によれば、遠隔地にいても燃料電池システムが運転されている現地の状況を正確に、しかもリアルタイムに把握することができる。
【００４４】
また、運転制御手段１４は、複数の燃料電池システムから転送されてきた波形データを一括して集中管理するものである。従って、複数の燃料電池システムが現地にて運転し、かつ各地に分散している状況において、複数の燃料電池システムから転送されてきたデータを一箇所に集中管理し、データを比較分析することにより、運転場所での特異性や燃料電池システムの個体差を把握することができ、それを把握した上でそれぞれの燃料電池システムに最適の運転制御を行うことができる。
【００４５】
また複数の燃料電池システムのデータを比較することにより、故障した場合の真の原因が明らかとなる。
【００４６】
かかる構成によれば、情報を一元管理でき、燃料電池システム相互間の比較が明確になり、故障診断をより総合的、効率的に実施することができるようになる。
【００４７】
（実施の形態６）
図９は本発明の実施の形態６における燃料電池システムの故障診断制御装置のブロック構成図である。図９において、図１、図３、図６、図７および図８に示す符号と同じ構成要素については、同一符号を付して詳細な説明を省略し、異なるところを中心に説明する。
【００４８】
図９において、表示手段２０は、リモコンあるいは操作モニタ等の燃料電池システムの運転状況を知らせる装置である。表示方式としてはドットマトリクス方式、パターン表示、絵表示であり、表示デバイスとしてはＬＥＤ、液晶、蛍光表示管あるいはプラズマ表示等である。
【００４９】
ここで、運転制御手段１４は、表示手段２０により、データ蓄積手段１７において蓄積された計測波形データを表示するものである。そして、ここでは計測された波形データを表示するもので、解像度が高く、表示面積の広い表示装置が適している。
【００５０】
通常運転中は、発電量や家庭内負荷量、給湯温度あるいは省エネ度合いなどの運転状況をモニタ表示しているが、異常停止した後の状況や原因解析時には、ある操作により当該の波形データを表示できるものである。
【００５１】
かかる構成によれば、既設の表示手段であるリモコンでの表示を利用して、データの情報を把握することができる。
【００５２】
（実施の形態７）
図１０は本発明の実施の形態７における燃料電池システムの故障診断制御装置のブロック構成図である。図１０において、図１、図３、図６、図７、図８および図９に示す符号と同じ構成要素については、同一符号を付して詳細な説明を省略し、異なるところを中心に説明する。
【００５３】
図１０において、外部装置接続手段２１は、ＰＣ（パソコン）モニタ等を接続可能とするための装置で、ＵＳＢ端子、Ｄ−ｓｕｂ端子あるいはＲＳ−２３２Ｃ用端子等のインターフェイスである。
【００５４】
ここで、運転制御手段１４は、外部に接続されたＰＣモニタ等の表示手段に計測蓄積された波形データを詳細に表示するものである。そして、電流・電圧波形そのものだけでなく、数値データとしても表示することが可能である。また蓄積されたデータの過去からの情報も履歴として一覧表示ができ、検索機能も利用することができる。
【００５５】
かかる構成によれば、ＰＣモニタ等の表示装置を接続可能となり、より詳細にビジュアルに波形情報を確認することができ、的確な判断、対策を講じることができるようになる。
【００５６】
なお、上記実施の形態１及び２では燃料電池システムの故障診断制御装置として、交流電力出力波形計測手段１５と直流電力波形計測手段１６をそれぞれ単独に備えているが、図６に示す実施の形態３のように交流電力出力波形計測手段１５と直流電力波形計測手段１６の両方を備えても本発明の課題を達成できるものである。
【産業上の利用可能性】
【００５７】
本発明の燃料電池システムの故障診断制御装置は、燃料電池より後段の直流交流変換手段で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】
【００５８】
【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故障診断制御装置のブロック構成図
【図２】本発明の実施の形態１における燃料電池システムの故障診断制御装置の異常止時の出力電流波形図
【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故障診断制御装置のブロック構成図
【図４】本発明の実施の形態２における燃料電池システムの故障診断制御装置の燃料電池からの出力電流波形図
【図５】本発明の実施の形態２における燃料電池システムの故障診断制御装置の燃料電池の出力電圧・電流特性図
【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故障診断制御装置のブロック構成図
【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故障診断制御装置のブロック構成図
【図８】本発明の実施の形態５における燃料電池システムの故障診断制御装置のブロック構成図
【図９】本発明の実施の形態６における燃料電池システムの故障診断制御装置のブロック構成図
【図１０】本発明の実施の形態７における燃料電池システムの故障診断制御装置のブロック構成図
【図１１】従来の燃料電池システムの故障診断制御装置のブロック構成図
【符号の説明】
【００５９】
１１  燃料電池
１２  直流交流変換手段
１３  家庭内負荷
１４  運転制御手段
１５  交流電力出力波形計測手段
１６  直流電力入力波形計測手段
１７  データ蓄積手段
１８  比較解析手段
１９  データ転送手段
２０  表示手段
２１  外部装置接続手段
【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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【図１０】
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【図１１】
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