(57)【要約】【課題】系統電源電圧において瞬時電圧低下の異常が発生した場合、安定した発電を継続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、系統電源に接続され、燃料電池からの直流電力を交流電力に変換し、系統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、系統電源での電圧波形を計測する系統電源電圧計測手段１５と、電源電圧波形を記憶する電圧波形記憶手段１６とを備え、運転制御手段１４は、系統電源電圧計測手段１５により、系統電源での電圧波形を計測し、電圧波形を電圧波形記憶手段１６にて記憶して、系統電源における瞬時電圧低下発生を電圧波形記憶手段１６とのデータ比較により検出し、電源電圧の減少に応じた出力電流の減少制御を優先する。【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、系統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、系統電源での電圧波形を計測する系統電源電圧計測手段とを備え、前記運転制御手段は、前記系統電源電圧計測手段により系統電源での電圧波形を計測することによって系統電源の圧力を検知し、系統電源における電圧が低下した場合には出力電流を低下させるように制御する燃料電池システム。
【請求項２】
運転制御手段は、現在の出力電力を定期的に指令電力と比較し、出力電力を補正することを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項３】
運転制御手段は、系統電源が停電した場合、燃料電池からの発電は継続し、直流交流変換手段からの出力を停止することを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項４】
運転制御手段は、系統電源が一定時間停電を継続した場合、燃料電池からの発電を停止することを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項５】
運転制御手段は、系統電源において瞬時的な電圧波形の変動が発生した場合でも、電圧変動に追従せず一定電力出力を継続することを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項６】
電源電圧の歪波形を記憶する電圧歪波形記憶手段を備え、運転制御手段は、系統電源における瞬時的な電圧波形変動が発生した場合は、電圧歪波形記憶手段にて記憶し、２回目以降に発生した場合は、発生した電圧変動を無視した出力電流制御を行うことを特徴とする請求項５記載の燃料電池システム。
【請求項７】
通信手段を備え、運転制御手段は、系統電源での異常の発生および異常からの復帰を前記通信手段により近くの燃料電池システムに情報を送ることを特徴とする請求項１〜６いずれか１項に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、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制御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８は、特許文献１に記載された従来の燃料電池システムを示すものである。
【０００３】
図８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、前記開閉弁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、第２開閉弁２、３が閉弁された状態において、ガスセンサ５により第１開閉弁の故障診断制御を行い、続いて第１開閉弁を開弁した後閉弁し、ガスセンサ５により第２開閉弁の故障診断制御を行うものである。
【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制御であり、燃料電池より後段の故障診断制御はできないという課題を有していた。
【０００５】
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、燃料電池より後段、つまり直流交流変換手段出力での故障診断制御を行うことにより、系統電源に一時的に異常が発生しても、安定した発電を継続して行うことが可能な燃料電池システム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】
【０００６】
前記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、系統電源電圧計測手段および電圧波形記憶手段を備えることにより直流交流変換手段出力での故障診断制御を行うものである。
【０００７】
本構成によって、燃料電池より後段の直流交流変換手段出力での故障診断制御を行うことにより、系統電源に一時的に異常が発生しても、安定した発電を継続して行うことが可能な燃料電池システムを提供することができる。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の燃料電池システムによれば、燃料電池より後段の直流交流変換手段出力での故障診断制御を、系統電源に一時的に異常が発生しても、直流交流変換手段の故障ではないと判断して、安定した発電を継続して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】
【０００９】
第１の発明は、燃料電池と、系統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、系統電源での電圧波形を計測する系統電源電圧計測手段とを備え、前記運転制御手段は、前記系統電源電圧計測手段により系統電源での電圧波形を計測することによって系統電源の圧力を検知し、系統電源における電圧が低下した場合には出力電流を低下させるように制御することにより、系統電源にて瞬時電圧低下が発生した場合でも、直流交流変換手段の故障ではないと判断して、燃料電池システムの発電を停止することなく、瞬時電圧低下が原因として起こる瞬時的な出力過電流を防止でき、安定した発電を継続することができる。
【００１０】
第２の発明は、特に第１の発明の運転制御手段は、現在の出力電力を定期的に指令電力と比較し、出力電力を補正することにより、たとえ系統電源電圧の低下が長時間継続しても、補正する事により指令値に近い電力を継続的に安定して出力することでき、効率のよい、燃料電池システム全体にバランスのよい理想的な運転が可能となる。
【００１１】
第３の発明は、特に第１の発明の運転制御手段は、系統電源が停電した場合、燃料電池からの発電は継続し、直流交流変換手段からの出力を停止することにより、化学反応で発電する燃料電池は、一旦発電を停止すると復帰するのに時間を要するが、直流交流変換手段は直ちに直流電力から交流電力への変換を再開できるので、系統電源が復帰後、直ちに燃料電池システムからの発電を再開することが可能となる。
【００１２】
第４の発明は、特に第１の発明の運転制御手段は、系統電源が一定時間以上停電を継続した場合、燃料電池からの発電を停止することにより、たとえ燃料電池への水素の供給が最小限に抑えられたとしても、水素の供給を停止せずに燃料電池からの出力を長時間停止することによる燃料電池への負担は大きいので、燃料電池への負担を軽減でき、寿命を延ばすことができる。
【００１３】
第５の発明は、特に第１の発明の運転制御手段は、系統電源において瞬時的な電圧波形の変動が発生した場合でも、電圧変動に追従せず一定電力出力を継続することにより、瞬時的な出力過電流を防止でき、安定した発電を継続することができる。
【００１４】
第６の発明は、特に第５の発明の燃料電池システムに加え、電源電圧の歪波形を記憶する電圧歪波形記憶手段を備え、運転制御手段は、系統電源における瞬時的な電圧波形変動が発生した場合は、電圧歪波形記憶手段にて記憶し、２回目以降に発生した場合は、発生した電圧変動を無視した出力電流制御を行うことにより、直流交流変換手段の故障ではなく、系統電源側において発生した電圧波形歪に対しては、瞬時的な出力過電流を防止でき、安定した発電を継続することができる。
【００１５】
第７の発明は、特に第１〜第６の発明の燃料電池システムに加え、通信手段を備え、運転制御手段は、系統電源での異常の発生および異常からの復帰を、通信手段により、近くの燃料電池システムに情報を送ることにより、事前に系統電源での情報を共有することにより、最小限のダメージで抑えられ、最適な発電制御を継続することができる。
【００１６】
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。
【００１７】
（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ブロック構成図である。
【００１８】
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、系統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。また系統電源電圧計測手段１５は系統電源での電圧波形を計測するものである。さらに電圧波形記憶手段１６は系統電源電圧計測手段１５にて計測された電源電圧波形を記憶する。ここでは記憶する電源電圧波形は一周期毎で、主として正常状態にて計測される電圧波形を記憶するものである。
【００１９】
ここで、運転制御手段１４は、系統電源電圧計測手段１５により、系統電源での電圧波形を逐一計測し、電圧波形を電圧波形記憶手段１６にて記憶して、系統電源における瞬時電圧低下発生を電圧波形記憶手段１６とのデータ比較により検出し、電源電圧の減少に応じた出力電流の減少制御を優先する。すなわち、系統電源電圧計測手段１５により系統電源での電圧波形を計測することによって系統電源の圧力を検知し、系統電源における電圧が低下した場合には出力電流を低下させるように制御するものである。
【００２０】
図２の波形は系統電源電圧の瞬時電圧低下が発生した場合の電圧波形を示す。通常、直流交流変換手段１２は、運転制御手段１４による電力指令により発電する。つまり指令電力＝系統電圧×出力電流、すなわち出力電力＝指令電力で示されるように出力電力値が指令電力値に一致するように制御、つまり正弦波の電流出力を維持されるように制御される。しかし、図２のような系統電源電圧の瞬時電圧低下が発生した場合は、出力電流が瞬時に電圧低下に対応してしまい、出力電力を維持しようとするあまり、低下した電圧分だけ出力電流を増やそうとして、図３の電流波形のような瞬時的な過電流が発生してしまうことになる。
【００２１】
図３の電流波形は、直流交流変換手段１２からの瞬時的な過電流が発生した場合の出力電流波形の一例を示す。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を出力して、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。
【００２２】
ここでは、系統電源の一時的な不具合であっても瞬時電圧低下に追従せず、瞬時過電流などの過渡的な出力をしないように制御する。つまり電圧波形記憶手段１６において、正常時の電圧波形を理想的な電圧波形として記憶しておき、記憶された波形と、系統電源電圧計測手段１５により計測された波形とを常時比較して、電圧低下が発生したと判断された場合は、指令電力に対応した出力電力一定制御をせずに、電圧低下に応じて、出力電流も低下させる、つまり出力電力も低下させるものである。
【００２３】
ここで電圧低下発生の判断基準として、電圧波形のピーク値すなわち電圧振幅が低下した場合で、瞬時的に５Ｖ以上低下、または一定時間（例えば１秒、１０秒、３０秒、１分間）内に１０Ｖ以上低下した場合としている。そして、電圧低下分の比率を正常時との値から算出して、出力電流を低下させる。
【００２４】
ここで、図４のフローチャートにより動作を説明する。ステップ１にて運転制御手段１４は、出力電力一定制御をしている。ステップ２において常時系統電源電圧計測手段１５により系統電源電圧の波形データを計測入力する。ステップ３において、計測入力された系統電源電圧波形データを電圧波形記憶手段１６にて記憶させる。ステップ４において、系統電源電圧計測手段１５により計測入力された電圧波形と電圧波形記憶手段１６において記憶されている波形データとを比較する。ステップ５において、電圧比較データをもとに瞬時電圧低下かどうかを検出するものである。
【００２５】
瞬時電圧低下を検出した場合、ステップ６において出力電力一定制御を解除して、出力電流を制御しやすくする。ステップ７において、電源電圧低下の割合を電圧波形記憶手段１６において記憶されている波形データをもとに計算する。ステップ８において、計算された電源電圧低下の割合に合わせて出力電流を減少制御するものである。
【００２６】
このことにより図３のような瞬時的な出力過電流を発生させて発電を停止させるようなことがなくなる。
【００２７】
かかる構成によれば、系統電源にて瞬時電圧低下が発生した場合でも、直流交流変換手段の故障ではないと判断して、燃料電池システムの発電を停止することなく、瞬時電圧低下が原因として起こる瞬時的な出力過電流を防止でき、安定した発電を継続することができる。
【００２８】
また、運転制御手段１４は、現在の出力電力を定期的に指令電力と比較し、出力電力を補正する。つまり出力電流を補正するものである。
【００２９】
系統電源電圧での瞬時電圧低下が発生する毎に出力電流も低下するので、系統電圧×出力電流＝出力電力の式のように出力電力が低下していることになる。つまり指令電力どおりに電力が出力されていないことになる。頻繁に電圧低下が発生している場合は指令電力に対して大きく出力電力が低下していることになる。
【００３０】
ここで定期的とは、１０波長（５０Ｈｚでは０．２秒）毎、あるいは１秒毎、１０秒毎等である。少しでもエネルギーロスを抑えるためには、例えば１０波長毎のように常に出力電力を指令電力と比較して出力低下分を補正して出力電流を増加させることが必要である。
【００３１】
系統電圧については、系統電源電圧計測手段１５により測定し、出力電流値を回路上にて検出し、測定された電圧値と電流値を演算により現在の出力電力を算出して、補正電力値＝指令電力−現在の出力電力を計算し、補正すべき出力電流値＝補正電力値÷系統電圧により補正すべき出力電流値を算出し、出力電流値を補正するものである。
【００３２】
そもそも指令電力値は、原料ガス量、空気量等と燃料電池１１での発電量とのバランスにより算出された値であるので、出力電力がずれていれば前述のバランスが崩れて、効率が悪くなり、燃料電池１１の耐久性に悪影響を及ぼすので、出力電力を指令電力値に限りなく近づけることが必要となる。
【００３３】
かかる構成によれば、たとえ系統電源電圧の低下が長時間継続しても、補正する事により指令値に近い電力を継続的に安定して出力することでき、効率のよい、燃料電池システム全体にバランスのよい理想的な運転が可能となる。
【００３４】
また、運転制御手段１４は、系統電源が停電した場合、燃料電池１１からの発電は継続し、直流交流変換手段１２からの出力を停止する。
【００３５】
燃料電池１１では、都市ガスから得られた水素と空気中の酸素との化学反応で直流電力を出力している。このような化学反応を一旦停止すると、水素を生成するまでの時間やシステム各部での適正温度に達するまでの時間など、発電を再開するまでには時間を要するので、系統電源が停電した場合は、燃料電池１１からの発電は継続し、直流交流変換手段１２の出力のみ停止するようにする。
【００３６】
一旦系統電源が復電すれば、燃料電池１１からの直流電力は出力を継続中であるので、直流交流変換手段１２のみを起動させれば、直ちに燃料電池１１からの直流電力を交流電力に変換することを再開することが可能となる。
【００３７】
かかる構成によれば、化学反応で発電する燃料電池は、一旦発電を停止すると復帰するのに時間を要するが、直流交流変換手段は直ちに直流電力から交流電力への変換を再開できるので、系統電源が復帰後、直ちに燃料電池システムからの発電を再開することが可能となる。
【００３８】
また、運転制御手段１４は、系統電源が一定時間以上停電を継続した場合、燃料電池１１からの発電を停止するものである。
【００３９】
系統電源が停電した場合、直流交流変換手段１２からの出力は停止しなければならない。短時間の停電であれば、燃料電池１１からの出力は停止する必要はない。しかし例えば３０分以上のような長時間停電が継続した場合は、燃料電池１１からの出力を停止しないと燃料電池１１への負担は大きくなる。燃料電池１１への水素の供給は停止されずに、直流電力出力のみを停止する事になるので、燃料電池１１での電力が蓄積され、寿命を短くする事になる。すなわち燃料電池システム自体を停止する必要がある。停電後での運転継続時間は、燃料電池１１での耐久性の問題であり、少しでも時間が短い方がよい。このように長時間停電から復電したとしても、燃料電池システムでの停止処理に要する時間や再起動に要する時間が必要となり、エネルギーロスが大きくなるが、燃料電池１１の寿命や耐久性の維持が図られるものである。
【００４０】
かかる構成によれば、たとえ燃料電池への水素の供給が最小限に抑えられたとしても、水素の供給を停止せずに燃料電池からの出力を長時間停止することによる燃料電池への負担は大きいので、燃料電池への負担を軽減でき、寿命を延ばすことができる。
【００４１】
また、運転制御手段１４は、系統電源において瞬時的な電圧波形の変動が発生した場合でも、電圧変動に追従せず一定電力出力を継続するものである。
【００４２】
図５の波形は系統電源電圧の瞬時的な波形変動（歪）が発生した場合の電圧波形を示す。このような高周波的な急激な変化を伴う電圧波形変動に対して、出力電力一定制御をしている場合は、電圧波形変動に追従してしまい、図３のような出力電流において過電流が発生してしまうことになり、異常検知レベルを超えるので燃料電池システムが停止してしまうことになる。
【００４３】
ここでは、系統電源の正弦波の半周期（５０Ｈｚでは１０ｍｓ）以下の日常的に発生するような電源変動には追従せずに、一定電力を出力し続けるのである。つまり瞬時的な電圧変動を無視して電圧波形が理想的な正弦波形であるとして出力電流を制御するものである。電圧に対する追従性を悪くするものである。それには、電圧波形および電流波形の理想的な正弦波形をメモリーに内蔵しておくことが必要になる。
【００４４】
かかる構成によれば、瞬時的な出力過電流を防止でき、安定した発電を継続することができる。
【００４５】
（実施の形態２）
図６は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構成図である。図６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。
【００４６】
図６において、電圧歪波形記憶手段１７は、系統電源において系統電源電圧計測手段１５により得られた電源電圧が歪んだ場合の電圧歪波形を記憶するものである。具体的には、電圧変動発生の時刻および電圧歪波形において歪が発生している箇所の位相、振幅、周波数、継続時間等の情報を記憶するものである。
【００４７】
ここで運転制御手段１４は、系統電源における瞬時的な電圧波形変動が発生した場合は、電圧歪波形記憶手段１７にて記憶し、２回目以降に発生した場合は、発生した電圧変動を無視した出力電流制御を行うものである。
【００４８】
系統電源電圧の変動（歪）は、図５に示すように、一度発生すると複数周期わたって繰り返し発生する可能性が高い。また同じような場所においては、一旦正常な正弦波形に復帰しても、また繰り返し発生する可能性が高い。ここでは、一度発生した電圧歪の位相、振幅、周波数、継続時間等の情報と少しでも一致するようであれば無視して、理想的な正弦波の電圧波形をもとにした出力電流制御を行う。
【００４９】
したがって、電圧歪波形記憶手段１７において電圧波形を記憶しておけば、２回目、例えば図５に示すような毎周期において電圧波形歪が発生した後、一波長周期後に発生した場合でも、この電圧変動（歪）を無視することにより、安定した発電を継続することが可能となる。
【００５０】
かかる構成によれば、直流交流変換手段の故障ではなく、系統電源側において発生した電圧波形歪に対しては、瞬時的な出力過電流を防止でき、安定した発電を継続することができる。
【００５１】
（実施の形態３）
図７は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構成図である。図７において、図１および図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。
【００５２】
図７において、通信手段１８は、複数の燃料電池システム間において、種々の情報をやりとりするもので、有線、無線を問わず電話回線等で構成されるものである。
【００５３】
ここで運転制御手段１４は、系統電源での異常の発生および異常からの復帰を、通信手段１８により、近くの燃料電池システムに情報を送るものである。例えば系統電源において、瞬時的な電圧変動が発生した場合は、その情報を他の燃料電池システムにおいて共有することにより、電圧変動を予測したシステムの運転制御ができ、不要なシステムの停止を防ぐことが可能となる。また、系統電源における異常から復帰したとの情報を入手できれば、異常回避のための不要な制御を行うことなく、効率のよい最適な制御を継続することが可能となる。
【００５４】
かかる構成によれば、事前に系統電源での情報を共有することにより、最小限のダメージで抑えられ、最適な発電制御を継続することができる。
【産業上の利用可能性】
【００５５】
本発明の燃料電池システムは、家庭用に設置される定置型燃料電池システムに有用であり、その他、工業的な目的での発電システムにおいても利用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【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系統電源電圧低下を示す波形の一例を示す図
【図３】本発明の実施の形態１における燃料電池システムの出力電流波形の一例を示す図
【図４】本発明の実施の形態１における燃料電池システムの出力電流制御のフローチャート
【図５】本発明の実施の形態１における燃料電池システムの系統電源電圧変動（歪）波形の一例を示す図
【図６】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構成図
【図７】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構成図
【図８】従来の燃料電池システムのブロック構成図
【符号の説明】
【００５７】
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  系統電源電圧計測手段
１６  電圧波形記憶手段
１７  電圧歪波形記憶手段
１８  通信手段
【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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