(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池と、この燃料電池で発生した直流電力を交流電力に変換し、負荷に交流電力を供給する直流交流変換手段と、この直流交流変換手段から負荷側への出力波形を計測する交流出力電流波形計測手段と、前記直流交流変換手段から負荷側への出力波形中の直流分を検出する検出回路と、前記燃料電池、直流交流変換手段、交流出力電流波形計測手段、検出回路の動作を制御する運転制御手段とを備え、
前記運転制御手段は、前記検出回路が前記直流交流変換手段から負荷側への出力波形中の直流分を検出すると、前記燃料電池の動作を継続的な停止状態にするものとし、
前記運転制御手段は、前記交流出力電流波形計測手段により計測された波形の大きさが通常の発電出力電流よりも大きい閾値電流以上となったことを検出すると過電流として検出し、前記過電流を検出してからの所定時間は、前記検出回路が前記直流交流変換手段から負荷側への出力波形中の直流分を検出しても、前記燃料電池の動作を継続的な停止状態にしない構成とした燃料電池システム。
【請求項２】
運転制御手段には、前記交流出力電流波形計測手段により、過電流を検出してからの所定時間、前記検出回路からの出力を実質的に無効化する直流分検出無効化手段を接続した請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
直流分検出無効化手段は、前記交流出力電流波形計測手段により、所定値以上の直流分を検出してからの所定時間、前記検出回路における直流分検出閾値レベルを上昇させる構成とした請求項２記載の燃料電池システム。
【請求項４】
直流分検出無効化手段は、前記交流出力電流波形計測手段により、過電流を検出してからの所定時間、検出回路の直流分検出レベルを閾値レベル以下に降下させる構成とした請求項２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、交流電力出力波形計測手段により、直流交流変換手段から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する燃料電池システムがあった。（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
図９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を示すものである。
【０００４】
図９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１で発電が行われる。直流交流変換手段２は、燃料電池１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３に交流電力を供給する。
【０００５】
運転制御手段４は、この燃料電池システムにおける、起動から発電までの一連の動作を制御する。
【０００６】
また交流電力出力波形計測手段５は、直流交流変換手段２の出力端に接続され、直流交流変換手段２から家庭内負荷３へと出力される交流電力の出力電流波形と、商用電源の電圧波形とを計測する。
【０００７】
運転制御手段４は、交流電力出力波形計測手段５により、直流交流変換手段２から家庭内負荷３へと出力される交流電力の出力電流波形を逐一計測し、商用電源からの電圧波形が正常であるのにもかかわらず、出力電流波形が異常である場合は、直流交流変換手段２の内部回路の故障と判断していた。
【特許文献１】特開２００６−３１０１１６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
前記従来の構成では、交流電力出力波形計測手段５により出力過電流を検出した場合、運転制御手段４により、この燃料電池システムの動作を一旦停止状態とする。
【０００９】
また直流交流変換手段２からの出力中に直流分を検出した場合には、運転制御手段４により、この燃料電池システムの動作を継続的な停止状態とする。
【００１０】
しかしながら、実質的に問題とならない商用電源側の電圧波形の乱れにより、直流分が検出されただけであるにもかかわらず、この燃料電池システムを継続的に動作停止してしまうと、不要な動作停止となり、システム稼動状態の悪化となる。
【００１１】
そこで本発明は、システムの稼動状態の悪化を抑制することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
そしてこの目的を達成するために本発明は、燃料電池と、この燃料電池で発生した直流電力を交流電力に変換し、負荷に交流電力を供給する直流交流変換手段と、この直流交流変換手段から負荷側への出力波形を計測する交流出力電流波形計測手段と、前記直流交流変換手段から負荷側への出力波形中の直流分を検出する検出回路と、前記燃料電池、直流交流変換手段、交流出力電流波形計測手段、検出回路の動作を制御する運転制御手段とを
備え、前記運転制御手段は、前記検出回路が前記直流交流変換手段から負荷側への出力波形中の直流分を検出すると、前記燃料電池の動作を継続的な停止状態にするものとし、
前記運転制御手段は、前記交流出力電流波形計測手段により計測された波形の大きさが通常の発電出力電流よりも大きい閾値電流以上となったことを検出すると過電流として検出し、前記過電流を検出してからの所定時間は、前記検出回路が前記直流交流変換手段から負荷側への出力波形中の直流分を検出しても、前記燃料電池の動作を継続的な停止状態にしない構成としたものであり、これにより所期の目的を達成するものである。
【発明の効果】
【００１３】
以上のごとく本発明は、交流出力電流波形計測手段により、過電流所定を検出してからの所定時間は、前記検出回路からの出力を実質的に無効化する構成としたものであって、この場合にはシステムを継続的に動作停止させないので、システムの稼動状態の悪化を抑制することが出来る。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
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。
【００１５】
（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構成図である。
【００１６】
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から改質した水素と、大気中の酸素とを燃料電池１１にて反応させ、発電が行われる。
【００１７】
直流交流変換手段１２は、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。
【００１８】
また交流出力電流波形計測手段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から家庭内負荷１３へと出力される交流電力（交流電流の出力波形）を計測するものである。
【００１９】
直流分検出無効化手段１６は、交流出力電流波形計測手段１５により、過電流検出してからの所定時間は、前記検出回路（図２の２３）からの出力を実質的に無効化する構成としたものであり、一時的な直流分流出検出では、運転制御手段１４がシステムを継続的に動作停止させないようにするものである。
【００２０】
運転制御手段１４は起動から発電、動作停止までの一連の動作を制御するもので、燃料電池１１、直流交流変換手段１２、交流出力電流波形計測手段１５、直流分検出無効化手段１６の動作制御を行うものである。
【００２１】
ここで、交流電流中の直流分について説明する。
【００２２】
図２の交流出力電流中における直流分流出原理図において、通常は斜線部ＡとＢが、Ａ＝Ｂで面積は等しくなり、直流分はゼロとなる。
【００２３】
しかし、図２にようにゼロ点がプラス側にずれることによりＡ＜Ｂとなり、負の直流分が発生することになる。また逆にゼロ点がマイナス側にずれることによりＡ＞Ｂとなり、正の直流分が発生することになる。
【００２４】
規格では直流分は交流電流分の±１％以下とされており、交流電流の実効値が５Ａであれば、±５０ｍＡ以上の直流分が発生すれば直流分流出異常と判断される。直流分が商用
電源側に流出されると、電柱にある柱上変圧器等への不都合が発生する恐れがあるので、この流出を防止しなければならない。
【００２５】
そこで本実施形態では、直流交流変換手段１２中に図４に示す手段を設けて、直流分の検出をし、直流分検出時には、基本的には直ちに運転制御手段１４によりシステムの動作停止をさせるような構成となっている。
【００２６】
次に、直流交流変換手段１２からの交流出力電流中の直流分検出について、図４を用いて説明する。
【００２７】
直流交流変換手段１２の主回路２１は直流交流変換手段１２中の直流電流および交流電流が実際に流れる回路であり、直流分センサ２２は直流交流変換手段１２の出力端付近に設けられたもので、交流電流中の直流分を検出するセンサである。
【００２８】
検出回路２３は直流分センサ２２の微少信号を増幅する回路であり、この検出回路２３の一部であるＣＰＵ２４はマイコン等で構成される集積回路であり、このＣＰＵ２４にて直流分の発生と大きさを判定している。
【００２９】
つまり、直流交流変換手段１２における直流分センサ２２の信号を検出回路２３に入力し、増幅等の処理後、マイコン等のＣＰＵ２４に入力させ、直流分の発生と大きさを判定しているのである。
【００３０】
直流分センサ２２は微少な直流分を検出するため、ここでは０．０１Ωの抵抗を２個並列、つまり０．００５Ωの抵抗値としたシャント抵抗を使用しているが、これに限らず他のセンサを使用してもよい。
【００３１】
また検出回路２３は、直流分センサ２２の微少電圧を増幅し、アイソレーションアンプ等の絶縁された増幅回路を経由して、アクティブ・ローパス・フィルタ（ここでは４次フィルタ）により高周波成分をカットしたものを、この検出回路２３の一部であるマイコン等のＣＰＵ２４に出力する。
【００３２】
また検出回路２３の一部であるマイコン等のＣＰＵ２４内では、入力された信号により直流分の補正バイアスを設定し、それに直流分のバイアスリミッタを設けて、実際の出力電流波形生成に反映されるものである。
【００３３】
再び図１に戻って説明を進めると、直流交流変換手段１２に接続された直流分検出無効化手段１６は、上記検出回路２３の一部であるマイコン等のＣＰＵ２４内にて、ソフト的に直流分をゼロと判断しり、ＣＰＵ２４への入力信号そのものを無視したりする等の動作を行わせることにより、下記に示す特定の状況（交流出力電流波形計測手段１５により過電流を検出した直後）時だけは、運転制御手段１４によるシステムの継続的動作停止を回避するように構成されている。
【００３４】
さて、図１に示す構成においては、運転制御手段１４の制御下において、交流出力電流波形計測手段１５により、直流交流変換手段１２から家庭内負荷１３へと出力される交流電力（交流電流の出力波形）を逐一計測している。
【００３５】
そして、交流出力電流波形計測手段１５により過電流を検出した場合には、直ちに運転制御手段１４により、システムを一時的動作停止状態とする。
【００３６】
またこのように交流出力電流波形計測手段１５により過電流を検出した場合には、その
時点から、所定時間の間だけ、直流分検出無効化手段１６により、交流出力電流中における直流分検出を無効化し、システムが継続的動作停止モードへと移行するのを防止する。
【００３７】
図３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）＝５Ａであり、ピーク値はその√２倍でＩａｃ（ｐｅａｋ）＝７．０７Ａであるが、ピーク値Ｉａｃ（ｐｅａｋ）の１５０％の相当する１０．６Ａ以上の過電流ピークＩａｃｏ（閾値レベル）以上となったことを検出した直後に、上述のごとく直ちに運転制御手段１４により、システムを一時的動作停止状態とする。
【００３８】
したがってこれ以降は図３のごとく、出力電流は減衰することとなる。
【００３９】
しかしこの図３に示すように、過電流が発生してから出力電流が停止するまでの間には、直流交流変換手段１２からの出力電流波形は、正負のバランスがくずれて、あたかも直流分が発生したかのようなふるまいをしてしまう。
【００４０】
この時、実際には、直流交流変換手段１２の回路や制御上の不具合により上述の直流分が発生したわけではないのにもかかわらず、直流分流出異常と誤判定してしまうので、交流出力電流波形計測手段１５により過電流を検出した場合には、この過電流検出から出力停止するまでのｔｒ０の間、つまり数ｍｓから数十ｍｓ間は、直流分検出無効化手段１６により、直流分検出による不要なシステムの継続的動作停止モードへの移行をさせないようにしている。
【００４１】
以上のごとく本実施形態では、交流出力電流波形計測手段１５により、所定値以上の直流分を検出してからの所定時間は、交流出力電流中における直流分検出を無効化し、システムが継続的動作停止モードへと移行するのを防止するので、システムの稼動状態の悪化を抑制することが出来る。
【００４２】
図８は、交流出力電流波形計測手段１５により過電流を検出し、直ちに運転制御手段１４により、システムを一時的動作停止状態とした後の、動作を説明するものである。
【００４３】
すなわち、システムの上記一時停止状態の後、運転制御手段１４により、自動的にシステムの再起動が行われるのであるが、直流交流変換手段１２からの出力が徐々に大きくなるように、いわゆるソフトスタートを行うようになっている。
【００４４】
（実施の形態２）
図５は本発明の実施の形態２における燃料電池システムの構成図である。図５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、説明を簡略化する。
【００４５】
図５において、直流分検出無効化手段１７は、交流出力電流中の直流分検出をする検出レベルの閾値レベルを上昇させる構成としたものである。
【００４６】
ここで、運転制御手段１４は、交流出力電流波形計測手段１５により、出力過電流を検出した直後は、直流分検出無効化手段１７により直流分検出レベルの閾値を上げ、直流分の検出をしにくくし、これにより、前記運転制御手段１４による継続的動作停止モードを実質的に無効化するものであって、直ちにシステムを継続的に動作停止させないので、システムの稼動状態の悪化を抑制することが出来る。
【００４７】
（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構成図である。図６において図１または図５と同じ構成要素については同一符号を用い、説明を簡略化する。
【００４８】
図６において、直流分検出無効化手段１８は、検出された直流分に対する補正バイアスのゲインを上げるものである。
【００４９】
ここで、運転制御手段１４は、交流出力電流波形計測手段１５により、出力過電流を検出した直後は、前記交流出力電流波形計測手段１５により、所定値以上の直流分を検出してからの所定時間、直流分検出無効化手段１８により、交流出力電流中の直流分検出レベルを閾値レベル以下に降下させる構成としており、これにより、前記運転制御手段１４による継続的動作停止モードを実質的に無効化するものであって、直ちにシステムを継続的に動作停止させないので、システムの稼動状態の悪化を抑制することが出来る。
【００５０】
（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構成図である。図７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、説明を簡略化する。
【００５１】
本実施形態では、交流出力電流波形計測手段１５と家庭内負荷１３間に、単層三線の１：１の絶縁トランス１９を設けたものである。
【００５２】
つまり単層三線の１：１の絶縁トランス１９を設ければ、一次側と二次側との分離により、直流分をカットすることが出来るのである。
【産業上の利用可能性】
【００５３】
本発明の燃料電池システムは、交流出力電流波形計測手段により、過電流所定を検出してからの所定時間は、前記検出回路からの出力を実質的に無効化する構成としたものであって、この場合にはシステムを継続的に動作停止させないので、システムの稼動状態の悪化を抑制することが出来る。
【００５４】
したがって、燃料電池を用いて経済的で安全な発電が行われることとなり、地球環の悪化抑制に大きく貢献するものとなる。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【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交流出力電流における直流分流出原理図
【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交流出力電流波形の一例を示す波形図
【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直流分検出回路のブロック構成図
【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ブロック構成図
【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ブロック構成図
【図８】本発明の実施の形態１における燃料電池システムの動作を説明するための波形図
【図９】従来の燃料電池システムのブロック構成図
【符号の説明】
【００５６】
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    交流出力電流波形計測手段
１６    直流分検出無効化手段
１７    直流分検出無効化手段
１８    直流分検出無効化手段
２１    直流交流変換手段の主回路
２２    直流分センサ
２３    検出回路
２４    ＣＰＵ
【図１】
0005181569.tif 000002
【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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