(57)【要約】【課題】燃料電池の発生電流量と燃料電池への需要電流量とをマッチングさせる。【解決手段】燃料電池２の出力電力をインバータ７で交流電力に変換して負荷器機Ｘに供給する自立運転モードと、商用電力系統と連係して燃料電池２の出力電力をインバータ７で交流電力に変換して負荷器機Ｘに供給する連係運転モードとを備えた燃料電池発電システムであって、自立運転モードの場合に、インバータ７の入力電力の変動に基づいて燃料電池２から取り出す電流と燃料電池２への燃料供給量とを同期制御する制御手段１１を具備する。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池の出力電力をインバータで交流電力に変換して負荷器機に供給する自立運転モードと、商用電力系統と連係しつつ前記燃料電池の出力電力をインバータで交流電力に変換して負荷器機に供給する連係運転モードとを備えた燃料電池発電システムであって、
自立運転モードの場合に、前記インバータの入力電力の変動に基づいて燃料電池の出力電流と燃料電池への燃料供給とを同期制御する制御手段を具備することを特徴とする燃料電池発電システム。
【請求項２】
燃料電池の出力電力をインバータで交流電力に変換して負荷器機に供給する自立運転モードと、商用電力系統と連係しつつ前記燃料電池の出力電力をインバータで交流電力に変換して負荷器機に供給する連係運転モードとを備えた燃料電池発電システムであって、
前記燃料電池に燃料を供給する燃料供給装置と、
該燃料電池の出力電流を充電すると共に、前記インバータに直流電力を供給するバッテリと、
該バッテリと燃料電池との間に介挿され、バッテリへの充電電流を調節する充電器と、
前記バッテリからインバータに入力される直流電力の変動を測定し測定値として出力する変動検出手段と、
前記測定値に基づいて充電器及び燃料供給装置を制御する制御手段とを備え、
該制御手段は、自立運転モードにおいては、前記測定値の変動を抑制するように充電器及び燃料供給装置を同期制御することを特徴とする燃料電池発電システム。
【請求項３】
変動検出手段は、インバータの入力電力の電流を電流値として測定する電流計またはインバータの入力電力の電圧値を測定する電圧計のいずれか一方または両方であることを特徴とする請求項２記載の燃料電池発電システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池発電システムに関する。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】
燃料電池発電システムは、燃料電池の出力電力（直流電力）をインバータ等の電力変換装置を用いて交流電力に変換し負荷器機に供給するものであり、一般的には商用電力系統と連携して用いられるが、停電等によって商用電力系統に異常が発生した場合には、自立的に作動して交流電力を負荷器機に供給する。
【０００３】
ところで、燃料電池発電システムを商用電力系統と連携することなく自立運転させた場合には、次のような問題が生じる。すなわち、燃料電池は、燃料の供給量に応じた電流を外部に供給する電流源であり、インバータを用いて交流電力に変換した場合、電圧源としての特性を有する電源とは異なり、インバータの入力電圧を安定化することが困難である。つまり、燃料電池の出力電圧は、燃料の供給量や発生電流量等の変動に起因して変動するためにインバータの入力電圧を安定化することが困難である。この結果、インバータから負荷器機に出力される交流電力の電圧や周波数を安定させることが困難となる。
【０００４】
一方、燃料電池は、燃料供給量に応じた電流を発生するので、需要電流に対して燃料の供給量が多くなると、内部温度の上昇や可燃性ガスの発生等の問題が生じる。したがって、燃料電池の運転では、燃料電池自身の状態を健全な状態に維持して安定運転させるためにも、発生電流量（すなわち燃料供給量）と需要電流量とがマッチングした状態とすることが必要である。なお、このような燃料電池発電システムについては、例えば以下の公知文献に詳細が記載されている。
【０００５】
【特許文献１】
特開２０００−３３３３８６号公報
【特許文献２】
特開平１０−２８５８３１号公報
【０００６】
本発明は、上述する問題点に鑑みてなされたもので、以下の点を目的とするものである。
（１）燃料電池の発生電流量と燃料電池への需要電流量とをマッチングさせる。（２）負荷器機に供給する交流電力の電圧や周波数を安定させる。
（３）燃料電池を安定運転させる。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明では、第１の手段として、燃料電池の出力電力をインバータで交流電力に変換して負荷器機に供給する自立運転モードと、商用電力系統と連係しつつ前記燃料電池の出力電力をインバータで交流電力に変換して負荷器機に供給する連係運転モードとを備えた燃料電池発電システムであって、自立運転モードの場合に、前記インバータの入力電力の変動に基づいて燃料電池の出力電流と燃料電池への燃料供給とを同期制御する制御手段を具備する構成を採用する。
【０００８】
また、第２の手段として、燃料電池の出力電力をインバータで交流電力に変換して負荷器機に供給する自立運転モードと、商用電力系統と連係しつつ前記燃料電池の出力電力をインバータで交流電力に変換して負荷器機に供給する連係運転モードとを備えた燃料電池発電システムであって、燃料電池に燃料を供給する燃料供給装置と、該燃料電池の出力電流を充電すると共に、インバータに直流電力を供給するバッテリと、該バッテリと燃料電池との間に介挿され、バッテリへの充電電流を調節する充電器と、バッテリからインバータに入力される直流電力の変動を測定し測定値として出力する変動検出手段と、上記測定値に基づいて充電器及び燃料供給装置を制御する制御手段とを備え、該制御手段は、自立運転モードにおいては、前記測定値の変動を抑制するように充電器及び燃料供給装置を同期制御するという構成を採用する。
【０００９】
第３の手段として、上記第２の手段において、変動検出手段は、インバータの入力電力の電流を電流値として測定する電流計またはインバータの入力電力の電圧値を測定する電圧計のいずれか一方または両方であるという構成を採用する。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、本発明に係わる燃料電池発電システムの一実施形態について説明する。
【００１１】
図１は、本燃料電池発電システムの機能構成を示すブロック図である。この図において、符合１は燃料供給装置、２は燃料電池、３，１２は開閉スイッチ、４は充電器（電流調節手段）、５はバッテリ、６は切替スイッチ、７はインバータ、８，１０は直流電流計、９は直流電圧計、１１は燃料電池制御装置（制御手段）、またＸは負荷器機である。
【００１２】
燃料供給装置１は、燃料電池制御装置１１から入力される燃料供給指令に応じた量（燃料供給量）の燃料及び空気を燃料電池２に供給する。燃料電池２は、上記燃料供給量に応じた電流を発生し電池電力として開閉スイッチ３に出力すると共に、当該電池電力を切替スイッチ６にも出力する。一般に、燃料電池には種々の方式のものが知られているが、本実施形態における燃料電池２は、特定方式に限定されるものではない。開閉スイッチ３は、上記燃料電池２と充電器４との間に介挿され、上記電池電力の充電器４への供給を規制する。開閉スイッチ３が閉状態のとき、上記電池電力は充電器４に供給され、開閉スイッチ３が開状態のときには、電池電力の充電器４への供給は遮断される。
【００１３】
充電器４は、燃料電池２から供給される電池電力のうち、燃料電池制御装置１１から入力される充電電流指令に応じた量の電流を充電電流としてバッテリ５に出力する。バッテリ５は、このようにして充電器４から入力される充電電流をバッテリ電力として蓄電する一方、当該バッテリ電力を切替スイッチ６に出力する。切替スイッチ６は、上記電池電力あるいはバッテリ電力を択一的に選択し、直流電力としてインバータ７に供給する。インバータ７は、燃料電池制御装置１１から入力される出力指令に基づいて直流電力を交流電力に変換して各種の負荷器機Ｘに供給する。直流電流計８は、上記充電器４に入力される充電電流の電流値を計測し、充電モニタ電流として燃料電池制御装置１１に出力する。
【００１４】
直流電圧計９は、上記直流電力の電圧値を計測し、直流モニタ電圧として燃料電池制御装置１１に出力するものである。直流電流計１０は、上記直流電力の電流値を計測し、直流モニタ電流として燃料電池制御装置１１に出力するものである。燃料電池制御装置１１は、このような直流モニタ電圧及び直流モニタ電流並びに充電モニタ電流に基づいて上記燃料供給指令及び充電電流指令を同期生成することにより燃料供給装置１及び充電器４を同期制御すると共に、上記直流モニタ電圧及び直流モニタ電流並びに充電モニタ電流に基づいて出力指令を生成することによりインバータ７を制御する。
【００１５】
開閉スイッチ１２は、商用電力系統と負荷器機Ｘとの接続を規制する。商用電力系統は、開閉スイッチ１２が閉状態になった場合にのみ負荷器機Ｘと接続される。負荷器機Ｘは、特定の器機に限定されるものではないが、例えば店舗電灯や冷蔵庫あるいは各種の動力機器等々である。
【００１６】
このように構成された本燃料電池発電システムは、２つの運転モード、つまり自立運転モードと連係運転モードとを備えており、当該運転モードに応じて開閉スイッチ３，１２及び切替スイッチ６の設定状態並びに燃料電池制御装置１１の制御処理が切り替えられるように構成されている。
【００１７】
次に、このように構成された本燃料電池発電システムの動作を自立運転モードと連係運転モードとに分けて説明する。
【００１８】
〔自立運転モード〕
この自立運転は、停電等の商用電力系統の異常時における動作モードである。この場合、図１に示すように、開閉スイッチ３は電池電力を充電器４に供給するように閉状態に設定され、切替スイッチ６はバッテリ電力をインバータ７に供給するように状態設定され、また開閉スイッチ１２は、商用電力系統との連係が解離されるように開状態に設定される。
【００１９】
この自立運転においては、インバータ７は、各負荷器機Ｘが需要する総負荷電力量の交流電力を所定の商用周波数（５０Ｈｚあるいは６０Ｈｚ）かつ所定の商用電圧（実効値で１００Ｖ）で供給するように動作する必要がある。このようなインバータ５の動作を実現するために、燃料電池制御装置１１は、出力指令をインバータ７に出力することなく、インバータ７を負荷変動に応じた作動（自立作動）させる。
【００２０】
また、インバータ７が上記総負荷電力量の交流電力を安定して出力するためには、交流電力の電力供給源であるバッテリ５に上記総負荷電力量に見合った直流電力を蓄電する必要があり、このために、燃料電池制御装置１１は、バッテリ５に充電電流を供給している燃料電池２の電力生成量をバッテリ５から出力（放電）するバッテリ電力（すなわちインバータ７に供給される直流電力）に応じてコントロールする。
【００２１】
すなわち、燃料電池制御装置１１は、直流電圧計９から入力される直流モニタ電圧及び直流電流計１０から入力される直流モニタ電流並びに直流電流計８から入力される充電モニタ電流に基づいて燃料供給指令及び充電電流指令を同期生成し、このように生成された燃料供給指令及び充電電流指令によって燃料供給装置１及び充電器４を同期制御する。燃料供給装置１と充電器４とを同期制御することによって、総負荷電力量に応じた電池電力を燃料電池２で生成してバッテリ４に充電させることが可能となり、よって総負荷電力量に応じた交流電力を安定的に各負荷器機Ｘに供給することが可能となる。
【００２２】
ここで、総負荷電力量の変動は直流モニタ電流により直接的に現れる。直流モニタ電圧の変動は総負荷電力量の変動に対して緩慢である。したがって、直流モニタ電流のみ、あるいは直流モニタ電流及び充電モニタ電流に基づいて燃料供給指令及び充電電流指令を生成し、このように生成された燃料供給指令及び充電電流指令に基づいて燃料供給装置１及び充電器４を制御しても、総負荷電力量に応じた交流電力を十分安定して各負荷器機Ｘに供給することができる。なお、総負荷電力量の変動が緩慢であることを前提にすれば、つまり各負荷器機Ｘの負荷変動が緩慢な場合には、モニタ電圧のみに基づいて燃料供給指令及び充電電流指令を生成し、このように生成された燃料供給指令及び充電電流指令に基づいて燃料供給装置１及び充電器４を制御するようにしても良い。
【００２３】
さらに、燃料電池制御装置１１は、上述したように燃料供給装置１及び充電器４を同期制御、つまりバッテリ５に充電する充電電流を増加させる必要があるときは、当該増加を指示する充電電流指令を生成すると共に燃料供給量の増加を指示する燃料供給指令を生成して、充電電流と燃料供給量とが常に同期して増加するように燃料供給装置１及び充電器４を制御し、バッテリ５に充電する充電電流を減少させる必要があるときには、当該減少を指示する充電電流指令を生成すると共に燃料供給量の減少を指示する燃料供給指令を生成して、充電電流と燃料供給量とが常に同期して減少するように燃料供給装置１及び充電器４を制御するので、燃料電池２は充電器４が要求する電流量に見合った量の燃料供給を受けることになり、したがって燃料電池２の安定運転が確保されると共に動作効率が向上する。
【００２４】
〔連係運転モード〕
この場合には、開閉スイッチ３は燃料電池２の電池電力が充電器４に供給されないように開状態に設定され、切替スイッチ６は燃料電池２の電池電力をインバータ７に供給するように状態設定され、また開閉スイッチ１２は、商用電力系統との連係が確立するように閉状態に設定される。すなわち、充電器４、バッテリ５及び直流電流計８は、切り離されて機能しない状態となる。
【００２５】
そして、燃料電池制御装置１１は、直流電圧計９から入力される直流モニタ電圧及び直流電流計１０から入力される直流モニタ電流に基づいて燃料供給指令及び出力指令を生成し、当該燃料供給指令及び出力指令によって燃料供給装置１及びインバータ７を制御することにより、総負荷電力量の一部を電池電力として燃料電池２で生成し、この電池電力（すなわち直流電力）をインバータ７で交流電力に変換して各負荷器機Ｘに供給する。
【００２６】
なお、本発明は、燃料電池に燃料を供給する燃料供給装置と燃料電池の出力電流を調節する電流調節手段とを同期制御することを主旨とするものであり、これ以外の構成については種々の変更が考えられる。
【００２７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、燃料供給装置から燃料供給を受けて発電する燃料電池の出力電力をインバータで交流電力に変換して負荷器機に供給する自立運転モードと、商用電力系統と連係して前記燃料電池の出力電力をインバータで交流電力に変換して負荷器機に供給する連係運転モードとを備えた燃料電池発電システムであって、自立運転モードの場合に、前記インバータの入力電力の変動に基づいて燃料電池から取り出す電流と燃料電池への燃料供給量とを同期制御する制御手段を具備するので、燃料電池の発生電流量と燃料電池への需要電流量とをマッチングさせることが可能となり、よって負荷器機に供給する交流電力の電圧や周波数を安定させることが可能となると共に、燃料電池を安定運転させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態の機能構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
１……燃料供給装置
２……燃料電池
３，１２……開閉スイッチ
４……充電器（電流調節手段）
５……バッテリ
６……切替スイッチ
７……インバータ
８，１０……直流電流計
９……直流電圧計
１１……燃料電池制御装置（制御手段）
Ｘ……負荷器機
【図１】
2004319282.tif 000003