(57)【要約】【課題】燃料電池の保護電圧設定なしで、燃料電池の電圧が低下しても過剰に燃料電池から電力を取り出すことを防ぐ。【解決手段】燃料と酸化剤とから電力を発生させる燃料電池と、前記燃料電池の出力する直流電力の電圧を所定の値以上に昇圧する電圧昇圧手段と、昇圧された直流電力を交流電力に変換する直交変換手段と、前記燃料電池の発電電力を決定する発電電力指令手段とを備え、前記電圧昇圧手段により昇圧された電圧が所定値よりも小さくなったときには発電電力を変更する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料と酸化剤とから電力を発生させる燃料電池と、前記燃料電池の出力する直流電力の電圧を所定の値以上に昇圧する電圧昇圧手段と、昇圧された直流電力を交流電力に変換する直交変換手段と、前記燃料電池の発電電力を決定する発電電力指令手段とを備え、前記発電電力指令手段は、前記電圧昇圧手段により昇圧された電圧値が第１の所定値より小さいときには、発電電力を変更することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
燃料と酸化剤とから電力を発生させる燃料電池と、前記燃料電池の出力する直流電力の電圧を所定の値以上に昇圧する電圧昇圧手段と、昇圧された直流電力を交流電力に変換する直交変換手段と、前記燃料電池の発電電力を決定する発電電力指令手段とを備え、前記発電電力指令手段は、前記電圧昇圧手段により昇圧された電圧が第２の所定値よりも小さいときには電力出力を断つことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項３】
燃料と酸化剤とから電力を発生させる燃料電池と、前記燃料電池の発電する電力の上限値を設定する電力制限手段と、前記燃料電池の直流電力を交流電力に変換する直交変換手段と、前記燃料電池の発電電力を決定する発電電力指令手段とを備え、前記発電電力指令手段が所定の電力値を上限として前記燃料電池の発電電力が最大になるように制御することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項４】
燃料と酸化剤とから電力を発生させる燃料電池と、前記燃料電池から出力する直流電流の上限値を決定する直流電流制限手段と、前記燃料電池の直流電力を交流電力に変換する直交変換手段と、前記燃料電池の発電電力を決定する発電電力指令手段とを備え、前記発電電力指令手段は、所定の電流値を超えない範囲で前記燃料電池の発電電力を最大に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。
【請求項５】
前記発電電力指令手段は、発電電力が最大になる交流電力を探索する際に、電流値が小さい方向から探索するよう制御することを特徴とする請求項３または４記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記直交変換手段は電力系統に接続されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
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。
【０００２】
【従来の技術】
以下に、従来の燃料電池システムについて説明する。
【０００３】
図５に示すように、従来の燃料電池システムは、燃料ガスと酸化剤を用いて発電を行う燃料電池１と、水素を供給する燃料供給手段１３と、空気を供給する送風機１４と、燃料電池１が出力する直流電力の電圧を昇圧する昇圧手段２と昇圧手段２により昇圧された直流電力を交流に変換する直交変換手段３と、燃料電池システムが出力する電力を設定する電力設定手段４からなる。
【０００４】
昇圧手段２は燃料電池１が出力する直流電圧を約３００Ｖ程度まで昇圧する。そして、直交変換手段３は約３００Ｖ程度の直流電力をＰＷＭ制御により交流変換し実効値２００Ｖの交流電力を出力する。電力設定手段４は負荷電力に応じて燃料電池システムが出力する電力を設定する。
【０００５】
昇圧手段２が出力する電圧は、燃料電池システムが出力する交流電力の電圧実効値のルート２倍の電圧が必要になるため、昇圧手段２が出力する電圧は、燃料電池システムが出力する交流電力の電圧値によって決まる。
【０００６】
このような燃料電池システムにおいて、燃料電池１の出力電圧が低下した場合の運転方法として、燃料電池１の電圧が予め定められた保護電圧以下になった場合には、出力電力を抑制する方法が用いられていた（例えば、特許文献１参照）。
【０００７】
上記保護電圧は、通常燃料電池が劣化する前の使用初期の段階の平均出力電圧に対して数％低下した電圧値というように設定を行っていた。
【０００８】
【特許文献１】
特開昭６０−３００６２号公報
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来例の燃料電池システムにおいては、燃料電池１が元図６に示すＩ−Ｖ特性の太線Ａのような特性だったものが、経時劣化で破線Ｂのような特性になってしまった場合や、燃料の供給が一時的に減少してしまい、一時的に特性が破線Ｃのようになってしまった場合に、燃料電池１の出力電圧が保護電圧以下になってしまうと燃料電池システムの出力は制限される。その保護電圧の設定値は、あまり高すぎると頻繁に燃料電池システムの出力は制限されることになるし、逆に低すぎると燃料電池１から過剰に燃料電池から電力を取り出す過負荷の状態になり、燃料電池の転極が起こり、電池の発電部が劣化してしまう可能性があった。また、燃料電池の経時劣化に応じて保護電圧の最適設定値は経時的に変化することも考えられ、保護電圧の設定は非常に難しい問題となる。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、第１の本発明の燃料電池システムは、燃料と酸化剤とから電力を発生させる燃料電池と、前記燃料電池の出力する直流電力の電圧を所定の値以上に昇圧する電圧昇圧手段と、昇圧された直流電力を交流電力に変換する直交変換手段と、前記燃料電池の発電電力を決定する発電電力指令手段とを備え、前記発電電力指令手段は、前記電圧昇圧手段により昇圧された電圧が所定範囲内であるときには発電電力を変更することを特徴とする。これにより昇圧後の直流電圧をある一定値以上に保ち、交流電力の電圧を維持することにより、電池の保護電圧を設定することなく燃料電池の出力電圧低下時の保護動作が可能である。
【００１１】
第２の本発明の燃料電池システムは、燃料と酸化剤とから電力を発生させる燃料電池と、前記燃料電池の出力する直流電力の電圧を所定の値以上に昇圧する電圧昇圧手段と、昇圧された直流電力を交流電力に変換する直交変換手段と、前記燃料電池の発電電力を決定する発電電力指令手段とを備え、前記前記電圧昇圧手段により昇圧された電圧が所定値よりも小さくなったときには電力出力を断つことを特徴とする。これにより、燃料電池システムが交流出力を維持できなくなったと判断して電池の保護電圧を設定することなく燃料電池の出力電圧低下時の保護停止動作が可能である。
【００１２】
第３の本発明の燃料電池システムは、燃料と酸化剤とから電力を発生させる燃料電池と、燃料電池の発電する電力の上限値を設定する電力制限手段と、燃料電池の直流電力を交流電力に変換する直交変換手段とを備え、前記発電電力指令手段は、設定する電力値を上限として燃料電池の発電電力が最大になるように制御することを特徴とする。これにより、直交変換手段は燃料電池の状態に応じて常に発電可能な最大限の電力のみを出力するので、電池の保護電圧の設定が不要で、随時最大限の電力を出力することが可能になる。
【００１３】
第４の本発明の燃料電池システムは、燃料と酸化剤とから電力を発生させる燃料電池と、燃料電池から出力する直流電流の上限値を決定する直流電流制限手段と、燃料電池の直流電力を交流電力に変換する直交変換手段とを備え、前記発電電力指令手段が所定の電流値を超えない範囲で燃料電池の発電電力を最大限になるように設定することを特徴とする。これにより、燃料電池の状態に応じて常に発電可能な最大限の電力のみを出力するので、電池の保護電圧の設定が不要で、随時最大限の電力を出力することが可能になる。
【００１４】
第５の本発明の燃料電池システムは、第３，４の本発明の燃料電池システムにおいて、発電電力が最大限になる交流電力を前記直交変換手段が探索する場合には、電流値が小さい方向から探索する。これにより、探索作業により燃料電池が出力可能な直流電流以上の電流を設定することがない。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
【００１６】
（実施の形態１）
図１は本発明の第１の実施の形態における燃料電池システムの構成図である。従来例と同じ構成要素には同じ番号を付与している。
【００１７】
本実施の形態における燃料電池システムは、燃料としての水素と酸化剤としての空気を用いて発電を行う燃料電池１と、水素を供給する燃料供給手段１３と、空気を供給する送風機１４と、燃料電池１が出力する直流電力の電圧を昇圧する昇圧手段２と昇圧手段２により昇圧された直流電力を交流電力に変換する直交変換手段３と、昇圧手段２が出力する直流電力の電圧値を検知する昇圧電圧検知手段５と、燃料電池システムが出力する電力を設定する本発明の発電電力指令手段である電力設定手段６と、負荷電力を検知する負荷検知手段７からなる。ここで、本発明の電圧昇圧手段である昇圧手段２により昇圧後の電圧値と要求される所定の値は、系統連携の電圧実効値から要求される昇圧後の直流電流の電圧値であるが、一例として以下のようにして決定される。
【００１８】
直交変換手段３の交流電力出力端は、２００Ｖの電力系統に接続されており、その間に交流電力を消費する電力負荷が分岐されて接続されている、いわゆる系統連系接続がなされている。
【００１９】
直交変換手段３にて、実効値２００Ｖの交流電力を出力するためには、直交変換手段３に入力される直流電圧は理論的に約２８３Ｖ程度が必要であるが、回路の損失などを考えると最低でも３００Ｖ程度が必要であり、さらに、系統の電圧の揺れを考えると３１０〜３２０Ｖ以上を確保することが望ましい。そこで、昇圧手段２は燃料電池１が出力する直流電圧を昇圧し、昇圧後の直流電圧が３２０Ｖ一定になるように動作する。
【００２０】
そして、直交変換手段３は３２０Ｖの直流電力をＰＷＭ制御により交流変換し実効値２００〜２１０Ｖの交流電力を出力する。
【００２１】
昇圧手段２は入力電圧を昇圧する機能を持つが、その昇圧能力には限界がある。
【００２２】
燃料電池１の性能劣化や燃料電池へ供給する水素、もしくは、空気の量が何らかの原因で減少するなど、燃料電池１の出力する電圧が著しく低下した場合には、昇圧手段２の出力する電圧も低下してしまう。
【００２３】
図３の太線は水素及び空気を一定量供給した時の燃料電池１の電圧と電流の関係を示しており、細線はそのときの電流と電力の関係を示している。この図が示すように水素及び空気の供給量一定の条件下で、燃料電池１から取り出す電力を小さくしていくと燃料電池１の電圧は、増加する。
【００２４】
この特性を利用して、電力設定手段６は、以下の様な操作を行う。
【００２５】
まず、電力設定手段６は昇圧電圧検知手段５によって検知される直交変換手段３に入力される電圧が３１０Ｖ以上であれば、負荷検知手段７によって検知された負荷電力と同じ電力を出力するように直交変換手段３を設定する。
【００２６】
また、電力設定手段６は昇圧電圧検知手段５によって検知される直交変換手段３に入力される電圧が３１０Ｖ未満の場合には、出力電力を減少させるように直交変換手段３を設定する。減少させる方法としては、例えば、現在の出力電力の１％ずつ電力を低下することが考えられる。これは、図３に示すように電力を減少させると電圧が上昇し、３１０Ｖ以上を確保することが可能となるからである。ここで、上記３１０Ｖの電圧値が、本発明の発電電力指令手段により、電力値の変更（低下）が必要となる第１の所定電圧値の一例であり、この所定値は、上記の値（３１０Ｖ）に限定されるものでなく、系統連携の電圧実効値により変化するだけなく、直交変換手段３の能力、回路損失及び系統電圧の揺れの程度によっても変動する。
【００２７】
さらに、電力設定手段６は昇圧電圧検知手段５によって検知される直交変換手段３に入力される電圧が３００Ｖ未満の場合には、直交変換手段３から出力される交流実効電圧値が２００Ｖを下回り、系統から直交変換手段３への電流が流入することにより直交変換手段３が故障することを防ぐため、電力出力を断つように直交変換手段３を設定する。ここで、上記３００Ｖが、本発明の発電電力指令手段により、電力出力を断つ第２の所定電圧値の一例であるが、この第２の所定値は、上述の第１の所定電圧値と同様に、系統連携の電圧実効値により変化するだけなく、直交変換手段３の能力、回路損失及び系統電圧の揺れの程度によっても変動し、３００Ｖに限定されるものではない。
【００２８】
なお、上記第２の所定値は、系統連携でなく独立電源の場合は、系統からの直交変換手段への電流の流入もないため、別の要因により決定される。例えば、燃料供給手段１３が、都市ガス、メタンなどを改質して水素を生成する改質器を有する装置で、未消費水素が、改質器を加熱する燃焼器に燃焼ガスとして供給される場合には、出力電力を低下させて電圧を３１０Ｖ以上にしようとすると、出力電力（出力電流）を相当量低下させるため、バーナに供給される未消費水素量が著しく増加し、改質器の温度制御が困難となる。このため、第２の所定値は、改質器の温度制御の点からバーナに対して許容可能なオフガス中の水素供給量から水素利用率（出力電力）を逆算し決定される。
【００２９】
また、燃料電池の独立電源の場合、上記に限らず第２の所定値は、負荷の許容交流電圧実効値からも決定され得る。
【００３０】
以上のように、本実施形態の燃料電池システムの運転において、昇圧手段２の出力電圧が安定的に電力を出力するのに必要な３１０Ｖ以上を確保することが可能な場合には、負荷検知手段７によって検知された負荷電力と同じ電力を出力し、３１０Ｖを確保できなくとも燃料電池１の出力電力を低下させることにより燃料電池１の電圧を上昇させ、再び昇圧手段２の出力電圧を３１０Ｖまで安定運転を継続させる。また、昇圧後の電力が３００Ｖ以上を確保できない場合には、電力出力を断つように直交変換手段３を設定する。
【００３１】
これにより、燃料電池１の保護電圧設定なしで、燃料電池１の電圧が、図６に示すような経時劣化（破線Ｂ）や燃料供給の一時的減少（破線Ｃ）で低下しても過剰に燃料電池から電力を取り出すことを防ぐことができるので、燃料電池１の経時劣化にも十分対応した安定した燃料電池システムの運転が実現できる。また、水素や空気の供給量が一時的に減ってしまった場合にも、出来る限り燃料電池システムの運転を継続することが出来る。
【００３２】
（実施の形態２）
図２は本発明の第２の実施の形態における燃料電池システムの構成図である。従来例もしくは本発明の第１の実施の形態と同じ構成要素には同じ番号を付与している。
【００３３】
本実施の形態における燃料電池システムは、燃料としての水素と酸化剤としての空気を用いて発電を行う燃料電池１と、水素を供給する燃料供給手段１３と、空気を供給する送風機１４と、直流電力を交流電力に変換する直交変換手段３と、燃料電池１の直流出力電力を検知する電力検知手段８と、燃料電池システムが出力する電力を設定する本発明の発電電力指令手段である電力設定手段９と、負荷電力を検知する負荷検知手段７からなる。
【００３４】
直交変換手段３の交流電力出力端は、２００Ｖの電力系統に接続されており、その間に交流電力を消費する電力負荷が分岐されて接続されている、いわゆる系統連系接続がなされている。
【００３５】
ここで、電力設定手段９が出力電力を設定する方法を図３を用いて説明する。図３の太線は水素、空気を一定量供給した時の燃料電池１の電圧と電流の関係を示しており、細線はそのときの電流と電力の関係を示している。この条件下で、燃料電池１から取り出す電流を大きくしていくと電力も同様に上昇していく。そして、供給されている水素もしくは空気の量で発電可能な電力量（Ｗｍａｘ）を超えると、過負荷の状態になり、燃料電池１の電圧、電力共に急激に低下する。
【００３６】
この特性をもとに、電力設定手段９は燃料電池１から取り出す電力を小さいほうから少しずつ増加させていき、電力が低下した場合には、即座に取り出す電力を減少させ、その後再び電力を増加させる。ただし、取り出す電力を増加させる過程で、逐次、負荷検知手段７が検知した負荷電力と直交変換手段３の出力端の電力を比較し、直交変換手段３の出力端の電力が負荷検知手段７が検知した負荷電力と同等になった場合には、取り出す電力の増加を停止する。この付加検知手段が検知する負荷電力が、本発明の上限として設定される所定の電力値となる。
【００３７】
以上のように、燃料電池システムの運転において、検知した負荷電力を上限として燃料電池の発電電力が最大になるようにすることにより、負荷に必要とされる量以上の電力を発電しないと共に、燃料電池１の保護電圧設定なしで、燃料電池１の電圧が図６に示すような経時劣化（破線Ｂ）や燃料供給の一時的減少（破線Ｃ）で低下しても過剰に燃料電池から電力を取り出すことを防ぐことができるので、燃料電池１の経時劣化にも十分対応した安定した燃料電池システムの運転が実現できる。また、水素や空気の供給量が一時的に減ってしまった場合にも、出来る限り燃料電池システムの運転を継続することが出来る。
【００３８】
（実施の形態３）
図４は本発明の第３の実施の形態における燃料電池システムの構成図である。従来例もしくは本発明の第３の実施の形態と同じ構成要素には同じ番号を付与している。
【００３９】
本実施の形態における燃料電池システムは、燃料ガスと酸化剤としての空気を用いて発電を行う燃料電池１と、直流電力を交流電力に変換する直交変換手段３と、燃料電池１が出力する直流電力の電圧の値を検知する電圧検知手段１０と、電流の値を検知する電流検知手段１１と、燃料電池システムが出力する電力を設定する本発明の発電電力指令手段である電力設定手段１２と、都市ガス、水などの発電原料から水素に富んだ燃料ガスを生成し燃料電池１へ供給する燃料供給手段１３と、空気を燃料電池１に供給する送風機１４からなる。燃料供給手段１３は燃料ガス供給量を検知する機能も併せ持ち、送風機１４は空気の供給量を検知する機能も併せ持つ。
【００４０】
直交変換手段３の交流電力出力端は、２００Ｖの電力系統に接続されており、その間に交流電力を消費する電力負荷が分岐されて接続されている、いわゆる系統連系接続がなされている。
【００４１】
電力設定手段１２は、燃料供給手段１３によって燃料電池１に供給される燃料ガスの供給量、送風機１４によって燃料電池１に供給される空気の量、及び水素及び空気のそれぞれの初期利用率から、現在、燃料電池システムが出力可能な電流上限値を決定する。この電流上限値が、本発明の所定の電流値となる。
【００４２】
そして、本発明の第２の実施の形態と同様に電力設定手段１２が、取り出す電力を増加させ、燃料電池１から取り出す電流の量を小さいほうから少しずつ増加させていき、燃料電池システムが出力する電力が低下した場合には、即座に取り出す電力を減少させ、その後再び電力を増加させる。ただし、取り出す電力を増加させる過程で、逐次、電流上限値と電流検知手段１１が検知する燃料電池１の電流値を比較し、電流検知手段１１が検知する燃料電池１の電流値が電流上限値と同等になった場合には、取り出す電力の増加を停止する。
【００４３】
以上のように、燃料電池システムの運転において、燃料電池１へ供給する燃料ガスおよび空気の量より電流上限値を設定し、燃料電池１の電流が電流上限値を超えない範囲で、燃料電池の発電電力を最大限になるようにすることにより、燃料電池１の保護電圧設定なしで、燃料電池１の電圧が低下しても過剰に燃料電池から電力を取り出すことを防ぐことができるので、燃料電池１の経時劣化にも十分対応した安定した燃料電池システムの運転が実現できる。また、水素や空気の供給量が一時的に減ってしまった場合にも、出来る限り燃料電池システムの運転を継続することが出来る。
【００４４】
なお、上記電流上限値の決定方法としては、水素及び空気のそれぞれの初期利用率を、直接用いて上限値を決定しても構わないし、安全性をより確実にするために初期利用率から数％利用率を減じた値を用いて電流上限値を決定しても構わない。
【００４５】
また、本発明の以上の実施の形態はいずれも２００Ｖ系統連系を行っているが、系統の電圧はこれに限るものではない。また、系統連系が行われていなくても、同様の効果が得られることは明白である。
【００４６】
【発明の効果】
以上説明したところから明らかなように、本発明は、燃料電池１の保護電圧設定なしで、燃料電池１の電圧が低下しても過剰に燃料電池から電力を取り出すことを防ぐことができるので、燃料電池１の経時劣化にも十分対応した安定した燃料電池システムの運転が実現できる。また、水素や空気の供給量が一時的に減ってしまった場合にも、出来る限り燃料電池システムの運転を継続することが出来るので、発電性能と耐久性を両立した燃料電池システムを実現することが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態における燃料電池システムを示す構成図
【図２】本発明の第２の実施の形態における燃料電池システムを示す構成図
【図３】本発明の第２の実施の形態における電力設定手段が出力電力を設定する方法を示す図
【図４】本発明の第３の実施の形態における燃料電池システムを示す構成図
【図５】従来の燃料電池システムを示す構成図
【図６】燃料電池のＩ−Ｖ特性図
【符号の説明】
１  燃料電池
２  昇圧手段
３  直交変換手段
５  昇圧電圧検知手段
６，９，１２  電力設定手段
７  負荷検知手段
【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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