(57)【要約】【課題】リップル電流の大きさに応じた燃料供給を行える燃料効率の高い燃料電池発電システムを提供する。【解決手段】燃料電池２とパワーコンディショナ３を有し、燃料電池２の制御部２３が燃料電池２の出力電流の目標値に基づいて燃料電池２への燃料供給量を制御する燃料電池発電システム１において、パワーコンディショナ３の制御部３４が、燃料電池２の出力電流の瞬時値を検出する電流計３６を備え、この電流計３６の検出値について所定期間毎にその最大電流値を検出して燃料電池２の制御部２３に送信する。燃料電池２の制御部２３は、この最大電流値を燃料電池２の出力電流の目標値として燃料電池２への燃料供給量を決定する。【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、前記燃料電池で発電された直流電力を所定の交流電力に変換するパワーコンディショナとを有し、前記燃料電池の制御部が該燃料電池の出力電流の目標値に基づいて前記燃料電池への燃料供給量を制御する燃料電池発電システムにおいて、
前記パワーコンディショナの制御部が、前記燃料電池の出力電流の瞬時値を検出する瞬時電流値検出手段と、前記瞬時電流値検出手段の検出値について所定期間毎に最大電流値を検出する最大電流値検出手段とを備えてなり、
前記燃料電池の制御部が、前記最大電流値検出手段で検出された最大電流値を前記燃料電池の出力電流の目標値として前記燃料電池への燃料供給量を決定する制御構成を備えていることを特徴とする燃料電池発電システム。
【請求項２】
前記瞬時電流値検出手段は、前記パワーコンディショナにおいて前記燃料電池から直流電流が入力される入力部に備えられていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池発電システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は燃料電池発電システムに関し、より詳細には、燃料電池で発電された直流電力を所定の交流電力に変換するパワーコンディショナを備えた燃料電池発電システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池発電システムは、周知のとおり、発電部を構成する燃料電池から出力される直流電力を電力変換装置を構成するパワーコンディショナで電力系統に連系可能な交流電力に変換して負荷に供給するように構成されている。
【０００３】
この種の燃料電池発電システムでは、燃料電池の制御部が該燃料電池の出力電流の目標値に基づいて燃料電池に対する燃料供給量を制御するように構成されている。すなわち、燃料電池の出力電流（換言すれば、パワーコンディショナの入力電流）と燃料電池に対する燃料供給量は、図３に示すように一定の比例関係があることから、燃料電池の制御部は、この比例関係に応じて、燃料電池の出力電流の目標値に応じた燃料が燃料電池のスタックに供給されるように燃料電池の補機を制御するよう構成されている（たとえば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００９−２１８００３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、このような燃料電池発電システムには以下のような問題があり、その改善が望まれていた。
【０００６】
すなわち、発電された直流電力をパワーコンディショナで交流電力に変換して出力する場合、燃料電池の出力電流にはパワーコンディショナの出力電流に同期したリップル電流が発生する。
【０００７】
このようなリップル電流が発生すると、燃料電池から出力電流の目標値を超える電流が取り出されることになるため、燃料電池が燃料不足となってスタックを劣化させる原因となっていた。
【０００８】
これに対して、スタックの劣化を防止するため、あらかじめパワーコンディショナの定格出力時のリップル電流を測定しておき、そのリップル電流に合わせて燃料を供給することで燃料不足を回避することが考えられる。しかし、この方法では、燃料電池の出力インピーダンスなどによるリップル電流のばらつきを考慮して燃料供給量を多めに設定せざるを得ないため、燃料効率が低下するという問題がある。
【０００９】
本発明は、このような従来の問題点に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、リップル電流の大きさに応じた燃料供給を行える燃料効率の高い燃料電池発電システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するため、本発明の請求項１に記載の燃料電池発電システムは、燃料電池と、上記燃料電池で発電された直流電力を所定の交流電力に変換するパワーコンディショナとを有し、上記燃料電池の制御部が該燃料電池の出力電流の目標値に基づいて上記燃料電池への燃料供給量を制御する燃料電池発電システムにおいて、上記パワーコンディショナの制御部が、上記燃料電池の出力電流の瞬時値を検出する瞬時電流値検出手段と、上記瞬時電流値検出手段の検出値について、所定期間毎に最大電流値を検出する最大電流値検出手段を備えてなり、上記燃料電池の制御部が、上記最大電流値検出手段で検出された最大電流値を上記燃料電池の出力電流の目標値として上記燃料電池への燃料供給量を決定する制御構成を備えていることを特徴とする。
【００１１】
この請求項１に記載の燃料電池発電システムでは、パワーコンディショナの制御部が燃料電池の出力電流の瞬時値を検出するとともに、検出された瞬時値について所定期間毎の最大電流値を検出する。そして、燃料電池の制御部がパワーコンディショナの制御部で検出された最大電流値に基づいて燃料電池への燃料供給量を決定する。そのため、この請求項１に記載の燃料電池発電システムでは、リップル電流によって燃料電池が燃料不足に陥ることが防止される。また、燃料供給量は、実際に測定された電流値に基づいて決定されるので必要以上に多くの燃料が供給されることがなく、燃料効率の高い燃料電池発電システムを提供することができる。
【００１２】
本発明の請求項２に記載の燃料電池発電システムは、請求項１に記載の燃料電池発電システムにおいて、上記瞬時電流値検出手段は、上記パワーコンディショナにおいて上記燃料電池からの直流電流が入力される入力部に備えられていることを特徴とする。
【００１３】
この請求項２に記載の燃料電池発電システムでは、瞬時電流値検出手段がパワーコンディショナにおいて燃料電池からの直流電流が入力される入力部に備えられることから、瞬時電流値検出手段をパワーコンディショナが従来から備える構成を利用することができ、簡単な構成とすることができる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、燃料電池の出力電流にリップル電流が生じても燃料電池が燃料不足に陥ることがなく、燃料電池のスタックの劣化が防止され得る。また、燃料電池に必要以上に多くの燃料が供給されることがないので、燃料効率の高い燃料電池発電システムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明に係る燃料電池発電システムの概略構成を示す回路ブロック図である。
【図２】パワーコンディショナへの入力電流（燃料電池の出力電流）に発生するリップル電流の一例を示す電流波形図である。
【図３】燃料電池の出力電流（パワーコンディショナへの入力電流）と燃料電池に対する燃料供給量の関係を示す相関図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
図１は、本発明に係る燃料電池発電システムの概略構成を示している。図１に示す燃料電池発電システム１は、燃料電池２で発電された直流電力を家庭内の電気負荷４に供給可能な交流電力に変換して電気負荷４に供給するシステムであって、燃料電池２とパワーコンディショナ３とを主要部として備えている。なお、図１において、５は商用電源（たとえば、５０Ｈｚまたは６０Ｈｚの単相交流１００／２００Ｖの電源）などの電力系統を示している。
【００１７】
燃料電池２は、周知のとおり、水素（水素リッチガス）と酸素（空気）の電気化学反応によって得られる電気エネルギを直流電力として取り出す発電装置であって、電気化学反応によって発電を行う燃料電池スタック（スタック）２１と、燃料電池スタック２１に燃料となる水素リッチガスや空気を供給するなど燃料電池スタック２１を動作させるために必要な周辺機器で構成された補機２２と、補機２２の制御を行う補機の制御部（以下、「ＦＣ制御部」と称する。）２３とを主要部として備えている。
【００１８】
ここで、燃料電池としては、固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）や固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）などが知られているが、本実施形態では、燃料電池２として固体酸化物型燃料電池が用いられている。
【００１９】
補機２２は、燃料電池スタック２１を動作させる周辺機器であって、この補機２２には、水蒸気改質法により水素リッチガスを生成する燃料改質装置が含まれており、燃料改質装置に燃料となる都市ガスを供給するガス供給ブロワや、改質用水を供給する水供給ポンプ、さらには燃料改質装置や燃料電池スタック２１に空気を供給する空気供給用ファンなどが備えられている。
【００２０】
ＦＣ制御部２３は、補機２２を構成する上記周辺機器の制御を行う制御装置であって、補機の制御基板（以下、「補機制御基板」と称する。）上に搭載されたマイコン（図示せず）を主要部として構成されている。そして、このＦＣ制御部２３は、燃料電池２の動作時（発電中）において、燃料電池２の出力電流の目標値を設定し、この目標値に基づいて燃料電池スタック２１への燃料供給量を制御するようにプログラムされている。なお、この目標値の設定は、たとえば、ＦＣ制御部２３が燃料電池スタック２１の温度を監視し、その温度から発電可能な電力量を演算し、この電力量を超えない範囲で設定するように構成される。
【００２１】
ここで、ＦＣ制御部２３が搭載される補機制御基板は燃料電池スタック２１や補機２２が収容された筐体内に収容される電装基板であって、この基板には上記マイコンの他、後述するパワーコンディショナ３の制御部（以下、「ＰＣ制御部３４」と称する。）と通信を行うための通信手段（図示せず）が備えられており、この通信手段を介してＦＣ制御部２３がＰＣ制御部３４と通信可能に構成されている。なお、ＦＣ制御部２３とＰＣ制御部３４の通信は有線または無線のいずれの方式によって行われてもよい。また、この補機制御基板には、補機２２に備えられた電気負荷に電力を供給する補機電源部（図示せず）も搭載されている。
【００２２】
パワーコンディショナ３は、燃料電池２（燃料電池スタック２１）で発電された直流電力を電力系統５に連系可能な交流電力に変換する電力変換装置であって、コンバータ回路部３１と、インバータ回路部３２と、整流回路部３３と、ＰＣ制御部３４とを主要部として備えている。
【００２３】
コンバータ回路部３１は、燃料電池２から出力される直流電力の電圧を所定電圧まで昇圧するＤＣ／ＤＣコンバータで構成されている。なお、このコンバータ回路部３１には、パワーコンディショナ３への入力電流（燃料電池２の出力電流）のリップル電流を抑制するリップル抑制回路３５が備えられており、このリップル抑制回路３５によってコンバータ回路部３１のＤＣ／ＤＣコンバータの動作が補正され、リップル電流が少なくなるように構成されている。
【００２４】
インバータ回路部３２は、コンバータ回路部３１で昇圧された直流電力を電力系統５に連系可能な交流電力（たとえば、５０Ｈｚまたは６０Ｈｚの単相交流１００／２００Ｖ）に変換するＤＣ／ＡＣインバータで構成される。このインバータ回路部３２は、その入力側がＤＣリンクコンデンサ３７を介してコンバータ回路部３１と接続されており、その出力側が系統連系切替スイッチ３８を介して家庭内の電気負荷（たとえば、蛍光灯や冷蔵庫など）に接続されている。
【００２５】
系統連系切替スイッチ３８は、燃料電池２で発電された電力を電力系統５に系統連系させるためのスイッチであって、系統連系時にはこのスイッチ３８の接点がインバータ回路３２側に接続されることにより、燃料電池２で発電された電力が電気負荷４に供給されるようになっており、解列時にはこのスイッチ３８の接点が整流回路部３３側に接続されることにより、電力系統５からの電力が整流回路部３３に供給されるようになっている。なお、この系統連系切替スイッチ３８の接点はＰＣ制御部３４によって制御される。
【００２６】
整流回路部３３は、系統連系切替スイッチ３８を介して電力系統５から供給される交流電力を直流電力に変換するための整流回路で構成されている。この整流回路部３３として、本実施形態ではブリッジダイオード回路が用いられており、このブリッジダイオード回路で整流された直流電力がインバータ回路部３２の入力側に接続されている。なお、この整流回路部３３は、燃料電池２が発電を行っていないときにＰＣ制御部３４やＦＣ制御部２３に電力系統５側からの電力を供給するために備えられている。
【００２７】
ＰＣ制御部３４は、パワーコンディショナ３の各部の動作を制御する制御装置であって、パワーコンディショナ３の制御基板上に搭載されたマイコン（図示せず）を主要部として構成されている。そして、本実施形態では、このＰＣ制御部３４は、後述するように、燃料電池２の出力電流を監視して、ＦＣ制御部２３がリップル電流による出力電流の変動を考慮した燃料供給制御を行えるように必要な情報を取得・処理するように構成されている。
【００２８】
具体的には、この制御にあたり、ＰＣ制御部３４には、燃料電池２の出力電流の瞬時値を検出する瞬時電流値検出手段が備えられている。本実施形態では、この瞬時電流値検出手段は、パワーコンディショナ３において燃料電池２から直流電流が入力される入力部、すなわち、コンバータ回路部３１の入力側に備えられた電流計（たとえば、電流センサ）３６で構成されている。なお、この電流計３６は、図１に示すように、パワーコンディショナ３の筐体内に収容されている。
【００２９】
この電流計３６の検出結果はＰＣ制御部３４に入力されるようになっており、燃料電池２の発電中はＰＣ制御部３４がこの電流計３６の検出結果を常時監視するようになっている。具体的には、ＰＣ制御部３４は、たとえば１ｍ秒程度の間隔で電流計３６の検出結果を取得し、燃料電池２の出力電流の瞬時値を監視できるように構成されている。
【００３０】
図２は、燃料電池２の出力電流にリップル電流が発生したときの一例を示している。リップル電流はインバータ回路部３２の出力電流に同期して発生するため、たとえば、インバータ回路部３２の出力が６０Ｈｚである場合、パワーコンディショナ３に入力される入力電流のリップルはインバータ回路部３２の出力電流の周波数の２倍の周波数（１２０Ｈｚ）の正弦波となって現れる。つまり、パワーコンディショナ３の入力電流は、図３に示すように最大電流値と最小電流値の間で上下する。
【００３１】
ＰＣ制御部３４は、この入力電流のリップルの少なくとも１周期以上（好ましくは、２周期以上の複数周期）となるように設定された所定期間Ｔにおいて複数回にわたり電流計３６の検出結果を取得し、これらの検出結果を比較して最も高いリップル電流の最大電流値Ｉmaxを検出する（換言すれば、ＰＣ制御部３４は、上記所定期間Ｔにおける燃料電池２の出力電流の最大電流値Ｉmaxを検出する最大電流値検出手段として機能するようになっている）。
【００３２】
ここで、ＰＣ制御部３４による上記最大電流値Ｉmaxの検出は、燃料電池２が発電中は継続して所定期間Ｔ毎に繰り返し行われる。そして、新たな最大電流値を検出すると以前の最大電流値を新たな最大電流値に置き換えて、その値（新たな最大電流値）をＰＣ制御部３４内の所定の記憶手段に記憶するとともに、ＦＣ制御部２３に対して送信するように構成されている。つまり、ＰＣ制御部３４にも上述したＦＣ制御部２３と同様の通信手段が備えられており、ＰＣ制御部３４はＦＣ制御部２３と通信可能に構成されている。
【００３３】
なお、上記所定期間Ｔ内においてＰＣ制御部３４が電流計３６の検出結果を取得する回数は、上記最大電流値を正確に特定するためにできるだけ多くの測定結果を取得するように構成される（たとえば、上述したように１ｍ秒程度の間隔で検出結果を取得するように構成される）。
【００３４】
次に、このように構成された燃料電池発電システム１の動作について説明する。
本実施形態に示す燃料電池発電システム１では、燃料電池２が発電を開始すると、燃料電池２のＦＣ制御部２３は、パワーコンディショナ３のＰＣ制御部３４と通信を行いながら以下のようにして燃料電池２（燃料電池スタック２１）に供給する燃料供給量の制御を行う。
【００３５】
すなわち、燃料電池２が発電を開始すると、ＦＣ制御部２３はそのマイコンに記憶された制御プログラムに従って燃料電池スタック２１に供給する燃料供給量を設定し、補機２２に対して設定した燃料を燃料電池スタック２１に供給するように指令を行う。なお、このときにＦＣ制御部２３が設定する燃料供給量は、燃料電池スタック２１から出力させる電流値（出力電流の目標値）に基づいてＦＣ制御部２３が決定する。具体的には、ここでの決定は、あらかじめＦＣ制御部２３に図３に示すようなデータを記憶させておき、そのデータに基づいてＦＣ制御部２３が出力電流の目標値から燃料供給量を決定するようになっている。これにより、燃料電池スタック２１には発電を行うのに必要な燃料（水素リッチガス）が供給され燃料電池スタック２１での発電が行われる。
【００３６】
そして、燃料電池２の発電によってパワーコンディショナ３から交流電力が出力されるようになると、燃料電池２の出力電流にリップル電流（リップル）が発生する。そのため、ＰＣ制御部３４は、インバータ回路部３２から交流電流の出力を開始すると、遅くともその時点から電流計３６で検出される入力電流の検出を開始する。
【００３７】
すなわち、ＰＣ制御部３４は、上記所定周期Ｔ毎に燃料電池２の出力電流の最大電流値Ｉmaxを検出するとともに、検出した最大電流値ＩmaxをＦＣ制御部２３に送信する。
【００３８】
これに対し、ＦＣ制御部２３は、ＰＣ制御部３４から上記最大電流値Ｉmaxの情報を受信すると、その情報（最大電流値Ｉmax)に基づいて燃料供給量を補正する。具体的には、ＦＣ制御部２３は、ＰＣ制御部３４から最大電流値Ｉmaxが与えられると、この与えられた最大電流値Ｉmaxを燃料電池２の出力電流の目標値（新たな目標値）として設定し、この目標値に応じて燃料電池２への燃料供給量を決定する。なお、ＰＣ制御部３４からは所定周期Ｔごとに最大電流値Imaxの情報が与えられるので、ＦＣ制御部２３はその都度新たな目標値を設定して燃料電池２に対する燃料供給量の補正を行う。
【００３９】
そのため、本実施形態に示す燃料電池発電システム１では、パワーコンディショナ３から交流電力を出力することに伴って燃料電池２の出力電流（パワーコンディショナ３への入力電流）にリップル電流が発生しても、リップル電流による燃料電池２の出力電流の増加に応じて燃料電池２に供給される燃料も増加するので、燃料電池２が燃料不足に陥ってスタックが劣化する事態が回避される。
【００４０】
また、燃料電池２に供給する燃料供給量は、実際に測定された燃料電池２の出力電流の電流値に基づいて決定されるので必要以上に多くの無駄な燃料が燃料電池２に供給されることがなく、燃料効率の高い燃料電池発電システム１が提供される。
【００４１】
なお、上述した実施形態は本発明の好適な実施態様を示すものであって、本発明はこれに限定されることなく発明の範囲内で種々の設計変更が可能である。
【００４２】
たとえば、上述した実施形態では、燃料電池２の出力電流の最大電流値Ｉmaxを検出するにあたり、所定期間Ｔ内に検出された最も高い電流値を最大電流値Ｉmaxとした場合を示したが、もっとも高い値に一定値を加算した値を最大電流値Ｉmaxとして用いることも可能である。
【００４３】
また、上述した実施形態では、ＦＣ制御部２３とＰＣ制御部３４を別体に構成した場合を示したが、これらは一体的に構成することも可能である。また、上述した実施形態では、燃料電池２の筐体とパワーコンディショナ３の筐体を別体に構成したが、両者を一体的に構成することも可能である。
【００４４】
また、上述した実施形態では、本発明を燃料電池発電のみのシステムで構成する場合を示したが、燃料電池２で発生する排熱を利用して温水を生成するコージェネレーションシステムとして本発明を構成することも勿論可能である。
【００４５】
さらに、上述した実施形態では、燃料電池２として、固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）を用いた場合を示したが、ＳＯＦＣ以外の燃料電池（たとえば、固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）など）に本発明を用いることも可能である。
【符号の説明】
【００４６】
１              燃料電池発電システム
２              燃料電池
３              パワーコンディショナ
４              電気負荷
５              電力系統
２１            燃料電池スタック
２２            補機
２３            ＦＣ制御部（燃料電池の制御部）
３１            コンバータ回路部
３２            インバータ回路部
３３            整流回路部
３４            ＰＣ制御部（パワーコンディショナの制御部）
３５            リップル抑制回路
３６            電流計（瞬時電流値検出手段）
３７            ＤＣリンクコンデンサ
３８            系統連系切替スイッチ
【図１】
2015141774.tif 000003
【図２】
2015141774.tif 000004
【図３】
2015141774.tif 000005