(57)【要約】【課題】パワーコンディショナに汎用性を持たせつつ、燃料電池の劣化を防止し得る発電システムを提供する。【解決手段】燃料電池装置２を備えた発電システム１において、パワーコンディショナ４には昇圧用のコンバータを設けずに、燃料電池装置２に昇圧用のコンバータ６を設ける。そして、燃料電池装置２に、系統Ａから供給される交流電力を直流電力に変換してコンバータの出力部に電力を印加するＡＣ／ＤＣコンバータ７を設け、コンバータ６の出力電圧が所定電圧以下であるときには、ＡＣ／ＤＣコンバータ７を動作させてコンバータ６の出力部の電圧を目標電圧まで昇圧させてから、ＡＣ／ＤＣコンバータ７の出力を低下させつつコンバータ６の出力を上昇させる。【選択図】図１
2012248503.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
発電部として燃料電池を備えた燃料電池装置と、この燃料電池装置から出力される直流電力を系統に連系させるインバータを備えたインバータ装置とを有する発電システムであって、
前記燃料電池装置は、発電部で発電された直流電力を昇圧するコンバータと、前記系統から供給される交流電力を直流電力に変換して前記コンバータの出力部に電力を印加するＡＣ／ＤＣコンバータと、これらを制御する制御部とを備えてなり、
前記制御部は、前記コンバータの出力電圧が所定電圧以下であるときには、前記ＡＣ／ＤＣコンバータを動作させて前記コンバータの出力部の電圧を所定の目標電圧まで昇圧させた後、前記ＡＣ／ＤＣコンバータの出力を低下させながら前記コンバータの出力を上昇させる制御を行うことを特徴とする発電システム。
【請求項２】
前記制御部は、前記発電部の発電量が所定値以上になったことを条件に前記ＡＣ／ＤＣコンバータの動作を停止させる制御構成を備えていることを特徴とする請求項１に記載の発電システム。
【請求項３】
前記燃料電池装置と前記インバータ装置とは別体に構成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の発電システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は発電システムに関し、より詳細には、発電部として燃料電池を備えた燃料電池装置に出力電圧を昇圧するコンバータを搭載した発電システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近時、家庭用の発電システムにおいて、燃料電池による発電（燃料電池発電）と太陽電池による発電（太陽光発電）とを組み合わせて使用する発電システムが提供されている。
【０００３】
この種の発電システムでは、燃料電池や太陽電池で発電される直流電力を家庭の電力負荷で使用できるようにするために、直流電力を交流電力に変換するインバータ装置であるパワーコンディショナを備えているが、従来の発電システムでは、図５に示すように、太陽電池ａと燃料電池ｂのそれぞれにパワーコンディショナｃを接続していたことから、各パワーコンディショナｃ、ｃにはほぼ同様の機能を有するインバータｅや表示部ｆなどが重複して設けられるという無駄が生じていた。
【０００４】
また、その一方で、太陽電池ａや燃料電池ｂが接続されるコンバータｄはこれら発電設備の出力特性に応じて選定されるのが望ましいところ、最近では太陽電池ａや燃料電池ｂ以外にも様々な出力特性を持った発電設備が提供されるに至っており、そのような各種発電設備をパワーコンディショナｃに接続できるようにする（換言すれば、インバータ装置に汎用性を持たせる）には、パワーコンディショナｃから昇圧用のコンバータｄを分離する構成を採用することが要請される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１１−５０１９１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
図６は、このような要請に応じてパワーコンディショナｃからコンバータｄを分離した構成を図示しており、この図６に示す発電システムでは、太陽電池ａと燃料電池ｂのそれぞれについて昇圧用のコンバータｄをパワーコンディショナｃから分離するとともに、インバータｅや表示部ｆを太陽電池ａと燃料電池ｂとで共用するようにして、インバータなどの重複を解消している。
【０００７】
しかしながら、このような図６の構成には以下のような問題があり、その改善が必要であった。
【０００８】
すなわち、燃料電池ｂは発電量以上の電流を出力すると劣化することから、図５に示す従来の発電システムでは、コンバータｄの起動時に過電流が流れないように突入電流を防止する制御として、インバータｅを逆動作させてコンバータｄの出力側の電圧を上げてからコンバータｄを動作させているところ（たとえば、特許文献１参照）、図６に示すように、パワーコンディショナｃに汎用性を持たせてインバータｅとコンバータｄとを分離する構成を採用すると、コンバータｄとインバータｅには通信手段がないため、インバータｅを逆動作させて突入電流を防止するという方法が採用できない。つまり、燃料電池ｂについてコンバータ起動時の突入電流を防止することができず、燃料電池ｂを劣化させるおそれがある。
【０００９】
本発明は、このような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、パワーコンディショナに汎用性を持たせつつ、燃料電池の劣化を防止し得る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に記載の発電システムは、発電部として燃料電池を備えた燃料電池装置と、この燃料電池装置から出力される直流電力を系統に連系させるインバータを備えたインバータ装置とを有する発電システムであって、上記燃料電池装置は、発電部で発電された直流電力を昇圧するコンバータと、上記系統から供給される交流電力を直流電力に変換して上記コンバータの出力部に電力を印加するＡＣ／ＤＣコンバータと、これらを制御する制御部とを備えてなり、上記制御部は、上記コンバータの出力電圧が所定電圧以下であるときには、上記ＡＣ／ＤＣコンバータを動作させて上記コンバータの出力部の電圧を所定の目標電圧まで昇圧させた後、上記ＡＣ／ＤＣコンバータの出力を低下させながら上記コンバータの出力を上昇させる制御を行うことを特徴とする。
【００１１】
すなわち、この請求項１に係る発電システムでは、燃料電池で発電された直流電力を昇圧するコンバータは、系統連系用のインバータ装置（パワーコンディショナ）から分離されて燃料電池装置に設けられている。そして、燃料電池装置には、系統から供給される交流電力を直流電力に変換してコンバータの出力部に電力を印加するＡＣ／ＤＣコンバータが備えられており、コンバータの出力電圧が所定電圧以下であるとき、つまり、燃料電池が発電しておらずコンバータの出力部に電荷がたまっていない状態のときには、ＡＣ／ＤＣコンバータを動作させてコンバータの出力部の電圧を所定の目標電圧まで昇圧させてから、ＡＣ／ＤＣコンバータの出力を低下させつつコンバータの出力を上昇させる。そのため、コンバータの動作に伴って燃料電池から出力される電流は緩やかに上昇することとなり、燃料電池から出力される電流が急激に増大することが回避され、過電流によって燃料電池が劣化することが防止される。
【００１２】
また、本発明の請求項２に記載の発電システムは、請求項１に係る発電システムにおいて、上記制御部は、上記発電部の発電量が所定値以上になったことを条件に上記ＡＣ／ＤＣコンバータの動作を停止させる制御構成を備えていることを特徴とする。
【００１３】
すなわち、この請求項２に係る発電システムでは、ＡＣ／ＤＣコンバータは、発電部の発電量が所定値以上になったときにその動作を停止するので、発電部が正常に発電を開始した場合には、コンバータの出力部にＡＣ／ＤＣコンバータから電圧が印加されなくなる。
【００１４】
また、本発明の請求項３に記載の発電システムは、請求項１または２に記載の発電システムにおいて、上記燃料電池装置と上記インバータ装置とは別体に構成されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、燃料電池で発電された直流電力を昇圧するコンバータは、系統連系用のインバータ装置（パワーコンディショナ）から分離されて燃料電池装置に備えられるので、インバータ装置に汎用性を持たせることができる。
【００１６】
しかも、燃料電池装置には系統から供給される交流電力を直流電力に変換してコンバータの出力部に電力を印加するＡＣ／ＤＣコンバータが備えられており、コンバータの出力電圧が所定電圧以下であるときには、ＡＣ／ＤＣコンバータを動作させてコンバータの出力部の電圧を所定の目標電圧まで昇圧させた後に、ＡＣ／ＤＣコンバータの出力を低下させながらコンバータの出力を上昇させるようになっているので、燃料電池から出力される電流が急激に増大することが回避され、過電流によって燃料電池が劣化することが防止される。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明に係る発電システムの概略構成の一例を示す回路ブロック図である。
【図２】同発電システムにおける燃料電池装置のコンバータの起動手順を示すフローチャートである。
【図３】同コンバータの起動手順においてコンバータの出力部に対して電力を印加する手順を示すフローチャートである。
【図４】同コンバータ起動時におけるコンバータの出力部の電圧変化の一例を示す説明図である。
【図５】従来の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６】図５に示す発電システムの改変例を示す回路ブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。
図１は、本発明を適用した発電システムの概略構成を示している。この発電システム１は、発電部で発電された直流電力を商用電源などの交流電源で構成される系統と連系して運用する家庭用の発電システムであって、図１に示すように、燃料電池装置２と、太陽電池パネル３と、パワーコンディショナ（インバータ装置）４とを主要部として備えている。
【００１９】
燃料電池装置２は、発電部で発電された直流電力を昇圧するコンバータを備えた発電設備であって、発電部５と、この発電部５で発電された直流電力を所望の電圧に昇圧するコンバータ（ＤＣ／ＤＣコンバータ）６と、系統Ａから供給される交流電力（たとえば、ＡＣ２００Ｖ）を直流電力に変換するＡＣ／ＤＣコンバータ７と、燃料電池装置２の各部を制御するＦＣ制御部８を主要部として構成されている。なお、ＦＣ制御部の「ＦＣ」は、「燃料電池（Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ）」を略称したものである。
【００２０】
発電部５は、天然ガスなどの水素を含む燃料ガスと、空気などの酸素を含む酸化剤ガスとを供給し、水素と酸素を化学反応させて直流電力を得る燃料電池で構成されている。この発電部５としては、たとえば、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）や固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）などが採用される。
【００２１】
コンバータ６は、発電部５で発電された直流電力を、パワーコンディショナ４が系統Ａに連系可能な電圧（たとえば、ＡＣ２００Ｖ）の交流電力に変換できるように昇圧するＤＣ−ＤＣコンバータで構成されており、このコンバータ６で昇圧された直流電力がパワーコンディショナ４に入力されるようになっている。ここで、このコンバータ６の具体的な構成・制御は、発電部５の出力特性に応じて決定される。具体的には、このコンバータ６には燃料電池が接続されるので、燃料電池に適したコンバータ、たとえば、絶縁型で、かつ、入力電流制御のコンバータが用いられる。
【００２２】
ＡＣ／ＤＣコンバータ７は、上述したように、系統Ａから供給される交流電力を直流電力に変換するものであって、その入力部が電源線９を介して系統Ａ（具体的には系統Ａから交流電力の供給を受ける図示しない配電盤など）に接続されるとともに、その出力部が上記コンバータ６の出力部に接続されている。つまり、このＡＣ／ＤＣコンバータ７は、系統Ａから供給される交流電力を直流電力に変換してコンバータ６の出力部に電力を印加できるように構成されている。
【００２３】
ＦＣ制御部８は、燃料電池装置２の各部の動作を制御する制御装置であって、図示しないマイコンを制御中枢として備えており、上記発電部５の発電制御を行うほか、上記コンバータ６およびＡＣ／ＤＣコンバータ７の動作制御を行うように構成されている（詳細は後述する）。
【００２４】
上記太陽電池パネル３は、発電部として複数の太陽電池(図示せず)を備え、これら太陽電池をパネル状に接続配列してなる発電設備であって、太陽光のエネルギを直流電力に変換するように構成されている。
【００２５】
そして、この太陽電池パネル３には、太陽電池パネル３で発電された直流電力を昇圧するコンバータ（ＤＣ／ＤＣコンバータ）１０が付属されており、太陽電池パネル３で発電された直流電力はこのコンバータ１０を介してパワーコンディショナ４に入力されるようになっている。ここで、このコンバータ１０の具体的な構成・制御も上述した燃料電池装置２のコンバータ６と同様に発電部の出力特性に応じて決定される。発電部として太陽電池が用いられているコンバータ１０には、たとえば、非絶縁型または絶縁型で、かつ、最大電力点追従制御（ＭＰＰＴ制御）のコンバータが用いられている。
【００２６】
パワーコンディショナ４は、上記燃料電池装置２および太陽電池パネル３で発電される直流電力を系統Ａに連系可能な交流電力に変換するインバータ装置であって、図１に示すように、本実施形態では、インバータ１１と、パワーコンディショナ４の各部を制御するＰＣ制御部１２を主要部として備えている。なお、ＰＣ制御部の「ＰＣ」は、パワーコンディショナ（Ｐｏｗｅｒ  Ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｅｒ）を略称したものである。
【００２７】
上記インバータ１１は、上記コンバータ６およびコンバータ１０で昇圧された直流電力を系統Ａに連系可能な電圧・周波数の交流電力（たとえば、単相三線式２００Ｖ）に変換するＤＣ／ＡＣインバータで構成されている。このインバータ１１の入力部を構成するＤＣリンク部（図示せず）には、上記コンバータ６およびコンバータ１０の出力部が接続されており、各コンバータ６，１０で昇圧された直流電力がインバータ１１のＤＣリンク部に供給されるようになっている。
【００２８】
上記ＰＣ制御部１２は、パワーコンディショナ４の各部の動作を制御する制御装置であって、図示しないマイコンを制御中枢として備えている。そして、このＰＣ制御部１２は、インバータ１１の入力電圧が一定値以上となった場合には、入力電圧が一定になるようにインバータ１１の出力を制御するように構成されている。
【００２９】
このように、本実施形態に示すパワーコンディショナ４は、燃料電池装置２や太陽電池パネル３から供給される直流電力を昇圧するＤＣ／ＤＣコンバータは備えられておらず、専ら燃料電池装置２や太陽電池パネル３から供給される直流電力を交流電力に変換することだけを行うようになっている。つまり、このパワーコンディショナ４は、所望の電圧に昇圧した直流電力を入力するようになっており、発電部の出力特性に応じて選択されるコンバータを備えていないことから、発電部の出力特性に影響されることなく様々な発電部を接続することができる汎用性のあるインバータ装置となっている。
【００３０】
なお、このことに関連して、屋外に設置されることが多い上記燃料電池装置２や太陽電池パネル３とパワーコンディショナ４とはいずれも別体に構成されており、また、燃料電池装置２のＦＣ制御部８とパワーコンディショナ４のＰＣ制御部１２は通信接続されていない。つまり、燃料電池装置２、太陽電池パネル３およびパワーコンディショナ４はいずれも独立して機能するようになっている。
【００３１】
そのため、この発電システム１では、燃料電池装置２または太陽電池パネル３の少なくともいずれか一方が発電を開始すると、ＰＣ制御部１２は、パワーコンディショナ４の入力電圧（ＤＣリンク部の電圧）から燃料電池装置２または太陽電池パネル３の少なくとも一方が発電していると判断し、上記ＰＣ制御部１２は、インバータ１１を動作させて、供給される直流電力を交流電力に変換して、系統Ａに連系させるようになっている。
【００３２】
次に、この発電システム１における燃料電池装置２での発電部５の保護（過電流防止）について図２ないし４を用いて詳細に説明する。
【００３３】
上述したように構成された発電システム１では、燃料電池装置２（発電部５）および太陽電池パネル３の双方ともが発電を停止している状態、つまり、燃料電池装置２のコンバータ６の出力部に電荷がたまっていない状態で燃料電池装置２の発電部５が発電を開始させると、発電部５から急激に電流が流れ（過電流となって）発電部５を劣化させるおそれがあるため、本発明の発電システム１ではそのような過電流を防止するため、燃料電池装置２のＦＣ制御部８は以下のような制御を行うように構成されている。
【００３４】
すなわち、ＦＣ制御部８は、発電部５で発電を開始するときにコンバータ６を動作させるが、このコンバータ６について動作要求があると（図２ステップＳ１でＹｅｓ）、コンバータ６の出力電圧（換言すれば、出力端の電位）が一定値（閾値Ｘ）以下であるか否かを判断する（図２ステップＳ２参照）。ここで、たとえば、太陽電池パネル３が発電しているような場合には、コンバータ６の出力部には電荷がたまっているので出力電圧は上記閾値Ｘよりも高くなるが、発電部５および太陽電池パネル３の双方ともに発電をしていなければコンバータ６の出力電圧は上記閾値Ｘ以下となり、図２ステップＳ２の判断は肯定的となって、ＦＣ制御部８は図２ステップＳ３に移行する。
【００３５】
そして、コンバータ６の出力電圧が上記閾値Ｘ以下である場合、ＦＣ制御部８は、コンバータ６の出力部の電圧を所定の目標電圧Ｙまで昇圧させる処理（コンバータ６の出力部のチャージ）を開始する（図２ステップＳ３参照）。
【００３６】
ここで、このコンバータ６の出力部のチャージは、図３に示す手順で行われる。すなわち、コンバータ６の出力部のチャージを開始するにあたり、ＦＣ制御部８は、ＡＣ／ＤＣコンバータ７を動作させて、系統Ａから供給される交流電力を直流電力に変換し、変換した直流電力をコンバータ６の出力部に印加する。これにより、コンバータ６の出力部の電圧が上昇する（図３ステップＳ１参照）。
【００３７】
そこで、ＦＣ制御部８は、コンバータ６の出力電圧が上記所定の目標電圧Ｙ以上になったか否かを判断し（図３ステップＳ２参照）、コンバータ６の出力電圧が目標電圧Ｙ以上になると、コンバータ６の動作を開始させる（図３ステップＳ３参照）。このとき、ＦＣ制御部８は、コンバータ６での昇圧動作を急激に行うのではなく、コンバータ６による昇圧がゆっくりと行われるようにコンバータ６を制御する。つまり、コンバータ６の出力を徐々に上昇させるようにコンバータ６を制御する。
【００３８】
そして、このコンバータ６の動作と並行して、ＦＣ制御部８は、ＡＣ／ＤＣコンバータ７によるコンバータ６の出力部に対する出力をゆっくりと低下させる（図３ステップＳ４参照）。つまり、ＦＣ制御部８は、コンバータ６の出力を徐々に上昇させる一方で、ＡＣ／ＤＣコンバータ７のＡＣ／ＤＣコンバータの出力を徐々に低下させていく。
【００３９】
そして、ＦＣ制御部８は、発電部５での発電量が所定値Ｚ以上になった場合（つまり、発電部５が正常に発電を開始した場合）には、上記ＡＣ／ＤＣコンバータ７の動作を停止させる（図３ステップＳ５参照）。つまり、ＡＣ／ＤＣコンバータ７によるコンバータ６の出力部への電力の印加を停止させる。
【００４０】
図４は、これら一連の動作におけるコンバータ６の出力電圧（出力端の電位）の変化を示しており、この図に示すように、本発明の発電システム１では、燃料電池装置２のコンバータ６を起動させるときには、まず、ＡＣ／ＤＣコンバータ７でコンバータ６の出力電圧を目標電圧Ｙまで上昇させた後、ＡＣ／ＤＣコンバータ７の出力を低下させながらコンバータ６の出力を上昇させて、最終的には、ＡＣ／ＤＣコンバータ７を停止させてコンバータ６のみで出力を行うようにしている。
【００４１】
そのため、本発明の発電システム１では、コンバータ６の動作に伴って発電部５から出力される電流は緩やかに上昇することとなり、発電部５から出力される電流が急激に増大することが回避され、過電流によって発電部５が劣化するのが防止される。
【００４２】
なお、本発明の発電システム１では、パワーコンディショナ４とコンバータ６（燃料電池装置２）は別体に構成され、かつ、これらの間に通信手段は設けられていないことから、コンバータ６側ではインバータ１１の動作状態を把握することはできないが、ＡＣ／ＤＣコンバータ７でコンバータ６の出力部の電圧を上昇させた後に、ＡＣ／ＤＣコンバータ７を徐々に停止させているので、インバータ１１の動作による変動を吸収することができる。
【００４３】
これに対して、コンバータ６の動作要求があったときに、たとえば、太陽電池パネル３が発電しているなど、コンバータ６の出力電圧が上記閾値Ｘよりも高い場合（図２ステップＳ２がＮｏの場合）には、ＦＣ制御部８は上述したコンバータ６の出力部へのチャージは行わず、コンバータ６を通常通り動作させて、コンバータ６の入力電流制御を行う（図２ステップＳ４参照）。
【００４４】
そして、発電部５での発電を停止する場合などコンバータ６の停止要求があった場合には（図２ステップＳ５参照）、ＦＣ制御部８は、コンバータ６の動作を停止させる（図２ステップＳ６参照）。
【００４５】
このように、本発明に係る発電システム１では、パワーコンディショナ４から昇圧用のコンバータ６を分離した構成を採用しても、当該パワーコンディショナ４に接続される燃料電池装置２において発電部５に急激な電流が流れることが防止され、発電部５が劣化することが防止される。
【００４６】
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、本発明はこれら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。
【００４７】
たとえば、上述した実施形態では、パワーコンディショナ４に接続される発電設備として燃料電池装置２と太陽電池パネル３を用いた場合を示したが、本発明に係る発電システム１は、パワーコンディショナ４に接続される発電設備として太陽電池パネル３に代えてまたは太陽電池パネル３と併せて蓄電池のような直流電源(直流発電設備)を接続することも可能である。また、燃料電池装置２とパワーコンディショナ４だけで構成することも可能である。
【符号の説明】
【００４８】
１                  発電システム
２                  燃料電池装置
３                  太陽電池パネル
４                  パワーコンディショナ（インバータ装置）
５                  発電部（燃料電池）
６                  コンバータ
７                  ＡＣ／ＤＣコンバータ
８                  ＦＣ制御部（燃料電池装置の制御部）
１１                インバータ
１２                ＰＣ制御部（パワーコンディショナの制御部）
【図１】
2012248503.tif 000003
【図２】
2012248503.tif 000004
【図３】
2012248503.tif 000005
【図４】
2012248503.tif 000006
【図５】
2012248503.tif 000007
【図６】
2012248503.tif 000008