(57)【要約】【課題】燃料電池スタックからインバータに至る途中で補機用ＤＣ電源を取り出す装置において、スタックが低電圧になると一時電流ならびにバルス状のノイズ重畳が激しくなり、補機の動作またはその制御が影響を受けてしまう。【解決手段】燃料電池スタック１と、燃料電池スタック１からの直流電力を高周波スイッチングにより交流電力に変換するＤＣ／ＡＣ変換器２と、燃料電池スタック１とＤＣ／ＡＣ変換器２の間から分岐した電路に設けられた、燃料電池スタック１の直流電圧を所定の電圧に変換するＤＣ／ＤＣ変換器３と、ＤＣ／ＤＣ変換器３から供給された直流電力により動作する補機と、分岐した箇所からＤＣ／ＤＣ変換器３までの間に設けられた、ＤＣ／ＡＣ変換器２のスイッチング周期より大きな時定数を有するフィルター回路とを備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックからの直流電力を高周波スイッチングにより交流電力に変換するＤＣ／ＡＣ変換器と、前記燃料電池スタックと前記ＤＣ／ＡＣ変換器の間から分岐した電路に設けられた、前記燃料電池スタックの直流電力を所定の電圧に変換するＤＣ／ＤＣ変換器と、前記ＤＣ／ＤＣ変換器から供給された直流電力により動作する補機と、前記分岐した箇所から前記ＤＣ／ＤＣ変換器までの間に設けられた、前記ＤＣ／ＡＣ変換器のスイッチング周期より大きな時定数を有するフィルター回路とを備える燃料電池システム。
【請求項２】
原料を用いて、前記燃料電池に供給する水素含有ガスを生成する水素生成装置を備え、前記補機は、前記水素生成装置を動作させるための機器である請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記補機の動作を制御する制御器を備え、前記制御器は、前記ＤＣ／ＤＣ変換器からの直流電力を用いて動作するよう構成されてい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】
前記分岐した箇所から前記フィルター回路までの配線長は、前記フィルター回路から前記ＤＣ／ＤＣ変換器までの配線長よりも短いことを特徴とする、請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記フィルター回路及び前記燃料電池スタックとを覆う断熱器と、前記フィルター回路及び前記燃料電池スタックから熱を回収する熱回収器とを備える、請求項１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、燃料電池スタックを備える燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の燃料電池システムは、燃料電池スタックや水素生成装置を運転させための補機等を動作させるのに非発電時はＡＣ／ＤＣ電源を、発電時は燃料電池スタックの直流電圧を安定化するＤＣ／ＤＣ電源をそれぞれ切り替えて用いていた。これには分散型発電装置として系統に連携する場合に、系統に流れる電流の歪率を抑制するねらいがあった。
【特許文献１】特開２００６−２２８４３６号公報（第１−１０頁、第１図）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ここで、燃料電池スタックは、水素と酸化剤ガスの電気化学反応により直流電力が取り出される単位セルを、上記反応ガスが流れるセパレータを介して、通常数十〜数百の範囲で積層されるが、小型化を図るためにスタックの積層数を低減化して同じ電力を取り出そうとした場合、単位セルあたりの上限電圧は決まっているため、燃料電池スタックから取り出される電流を増大させることなる。
【０００４】
ここで、燃料電池スタックからの直流電力を高周波スイッチングするＤＣ／ＡＣ変換器（インバータ）により交流電力に変換すると、積層数を低減する前に比べてより大きな電流がパルス状に流れること、及び燃料電池スタックに存在する抵抗成分のため燃料電池スタックの直流電圧が、ノイズ状に高周波で変動する。この変動は、通常、ＤＣ／ＤＣ変換器により電圧が安定化されある程度抑制されるが、家庭や自動車等に使用される燃料電池システムは、燃料電池スタックから大電流を取り出すため、これらの変動を抑制しきれず、燃料電池スタックの直流電力を用いて動作する、燃料電池システム内に設けられた各補機（例：燃料電池のカソードに空気を供給する空気ブロア、水素生成装置に原料を供給する昇圧器、水素生成装置に水蒸気改質用の水を供給する水ポンプ等）の動作や、上記直流電力を用いてこれらの各補機を制御する制御器の制御動作に異常を起こし、燃料電池システムの運転が不安定になってしまう可能性があるという課題があった。
【０００５】
本発明は、上記従来の課題を解決するもので、高周波ＤＣ／ＡＣ変換器を用いた燃料電池システムにおいて、スタック積層数の低減化が行われても補機の動作またはその制御に異常が生じ、運転が不安定になることを抑制した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】
上記従来の課題を解決するため、第１の本発明の燃料電池システムは、燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックからの直流電力を高周波スイッチングにより交流電力に変換するＤＣ／ＡＣ変換器と、前記燃料電池スタックと前記ＤＣ／ＡＣ変換器の間から分岐した電路に設けられた、前記燃料電池スタックの直流電力を所定の電圧に変換するＤＣ／ＤＣ変換器と、前記ＤＣ／ＤＣ変換器から供給された直流電力により動作する補機と、前記分岐した箇所から前記ＤＣ／ＤＣ変換器までの間に設けられた、前記ＤＣ／ＡＣ変換器のスイッチング周期より大きな時定数を有するフィルター回路とを備える。
【０００７】
かかる構成によれば、フィルター回路によりＤＣ／ＤＣ変換器に入力される燃料電池スタックからの直流電圧が滑らかになり、補機の動作及び燃料電池システムの運転が安定化される。
【０００８】
また、第２の本発明にかかる燃料電池システムは、原料を用いて、前記燃料電池に供給する水素含有ガスを生成する水素生成装置を備え、前記補機は、前記水素生成装置を動作させるための機器である。
【０００９】
また、第３の本発明にかかる燃料電池システムは、前記補機の動作を制御する制御器を備え、前記制御器は、前記ＤＣ／ＤＣ変換器からの直流電力を用いて動作するよう構成されていることを特徴とする。
【００１０】
かかる構成により、補機を制御する制御器の制御動作も安定化し、燃料電池システムの運転が、より安定化される。
【００１１】
また、第４の本発明にかかる燃料電池システムは、前記分岐した箇所から前記フィルター回路までの配線長は、前記フィルター回路から前記ＤＣ／ＤＣ変換器までの配線長よりも短いことを特徴とする。
【００１２】
かかる構成によれば、燃料電池とフィルター回路との間の配線において上記直流電力の電圧変動に伴う電流変動から発生する電磁波ノイズを抑制することができる。これは、次のような理由によりものである。家庭用や車用に用いられる燃料電池システムでは、大電流を取り出すよう構成されるため、通常、燃料電池スタックとインバータは電力損失を抑制するため直近に配置され、かつ燃料電池スタックとインバータはそれぞれ大きな体積を有するので、ＤＣ／ＤＣ変換器は上記分岐部から離れた場所に設置せざるを得ない。この場合、燃料電池スタックからフィルター回路までの間の配線において上記電圧変動に伴う電流変動により電磁波ノイズを飛散しやすくなるが、第４の本発明のように、フィルター回路を燃料電池スタックにより近い箇所に設置するよう構成することで、上記電磁波ノイズの発生を抑制することが可能になる。
【００１３】
また、第５の本発明にかかる燃料電池システムは、前記フィルター回路及び前記燃料電池スタックとを覆う断熱器と、前記フィルター回路及び前記燃料電池スタックから熱を回収する熱回収器とを備える。
【００１４】
かかる構成によれば、フィルター回路で発生した熱の損失を抑制しながら熱回収することが可能になり、燃料電池システムの効率向上につながる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の燃料電池システムによれば、高周波ＤＣ／ＡＣ変換器を用いた燃料電池システムにおいて、スタック積層数の低減化が行われても補機の動作に異常が生じ、運転が不安定になることを抑制することが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照して説明する。
【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。図１において１は、直流電力を発生する燃料電池スタックであり、２は燃料電池スタックの発する直流電力を交流電力に変換するＤＣ／ＡＣ変換器（インバータ）２である。ＤＣ／ＡＣ変換器２は系統電源８に連系する必要から、直流電力を一旦昇圧し交流電力に変換するが、ＤＣ／ＡＣ変換の過程で電流のチョッピング制御（半導体素子で電源をオンオフし、トランスやコイルに高周波電流を印加することで、低ロスで電圧変換する制御）を行う。またチョッピング制御の周波数は、用いられる半導体素子やトランスの特性によっても異なるが、一般的に２０ｋＨｚから１００ｋＨｚの比較的高周波な帯域となるのが一般的であり、図４に示すようにＬ（インダクタンス）成分を持った電力負荷を制御するため電流波形が三角波形となる場合が多い。
【００１８】
加えて、ＤＣ／ＡＣ変換器２は変換の過程で必ずロスを伴う。家庭用の燃料電池システムの場合、定格出力は１ｋＷ程度だが、ＤＣ／ＡＣ変換器の出力が１ＫＷで変換効率ηが９０％のとき、ＤＣ／ＡＣ変換器への入力は１．１ＫＷ必要なことになるが、例えば、ＤＣ／ＡＣ変換器の出力電圧を４０Ｖとしたとき、燃料電池スタック１が出力する電流は２７．５Ａとなる。実際には、これに補機５の消費電流等が１割程度加わり約３０Ａの大電流になる。ここで、上記約３０Ａという値はあくまで平均実効値であり、図４に示す三角波形のピークは、電力負荷のＬ成分にもよるが、３倍〜４倍になる。従ってＤＣ／ＡＣ変換器２の仕様が、入力電圧４０Ｖで出力１ｋＷだったとき、燃料電池スタック１の瞬時電流値は１００Ａ以上となる。
【００１９】
ここで、燃料電池スタック１の小型化や低コスト化を図るため、スタック積層数を低減しようとすると、上記瞬時電流値は更に大きな値となる。例えば、燃料電池スタック１の積層数を半分にすると、出力電圧が４０Ｖから２０Ｖとなり、燃料電池スタック１の瞬時電流値は、２００Ａ以上となる。燃料電池スタックの利用分野として、一般的な、家庭用コジェネレーションシステムや燃料電池自動車において、燃料電池システムはこの様な大電流を扱うことから内部のインピーダンスを極小化すべく様々な構造的配慮を行っているが、それでも電極や接続部、配線のロスを皆無にすることは不可能であり、１０〜２０ｍΩ程度の抵抗成分が残留する。仮に、抵抗成分を１５ｍΩとすれば、出力電圧２０Ｖの燃料電池スタック１を用いた時の電圧変動は３Ｖ以上（プラス、マイナスに振れるので、変動幅は倍の６Ｖ以上）となる。
【００２０】
燃料電池スタック１から分岐し補機５の電源となるＤＣ／ＤＣ変換器３は、ＤＣ／ＡＣ変換器２と同様チョッピング制御によって補機５や補機５を制御する制御器４に供給される直流電力の電圧の安定化を図る装置だが、ＤＣ／ＡＣ変換器２と類似した技術であり、そのチョッピング周波数は近似した帯域とならざるを得ない。したがって、２０Ｖに対して６Ｖピークの高周波ノイズが重畳した直流電圧がＤＣ／ＤＣ変換器３に入力された場合、同様の帯域でチョッピング制御してもＤＣ／ＤＣ変換器３の出力電圧を安定化する事は困難である。なお、補機５としては、例えば、燃料電池スタック１のカソードに空気を供給する空気ブロア（図示せず）、水素生成装置６に原料を供給する昇圧器５Ａ、水素生成装置に水蒸気改質用の水を供給する水ポンプ５Ｂ等が挙げられる。
【００２１】
そこで、本実施の形態の燃料電池システムにおいては、図１に示すように燃料電池スタック１と上記ＤＣ／ＡＣ変換器２との間の所定の分岐部において分岐し、ＤＣ／ＤＣ変換器３に至る電路の途中にフィルター回路７を設け、ＤＣ／ＤＣ変換器３へ入る前に直流電圧の平滑を行うように構成されている。なお、上記構成に代えて、上記分岐部とＤＣ／ＡＣ変換器２との間の電路にフィルター回路７を設けるよう構成しても構わない。その場合、フィルター回路７は２００Ａピークという大電流に耐えるよう設計する必要があるため、分岐部とＤＣ／ＤＣ変換器３との間にフィルター回路を設けた場合に比べて、大型化、高コストになるが、同様の効果は得られる。
【００２２】
以上、本実施の形態の燃料電池システムにより、ＤＣ／ＡＣ変換器２の高周波のチョッピング制御によって燃料電池スタック１の直流電圧に高周波ノイズが重畳するにもかかわらず、ＤＣ／ＤＣ変換器３の出力側には安定した直流電圧が得られる。したがって、上記ＤＣ／ＤＣ変換器３より安定化した直流電力が、補機５や補機５を制御する制御器４に供給されるため、ＤＣ／ＤＣ補機５の動作や補機５を制御する制御器４の制御動作が安定し、水素生成装置６の運転や燃料電池スタック１の運転等を含む燃料電池システムの運転を安定化させることが可能になる。
【００２３】
（実施の形態２）
図２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。本実施の形態の燃料電池システムのうち、実施の形態１の燃料電池システムと異なる構成について説明し、その他の構成については実施の形態１の燃料電池システムと同様でるため説明を省略する。
【００２４】
本実施の形態の燃料電池システムは、図２に示されるようにフィルター回路７は、燃料電池スタック１からＤＣ／ＡＣ変換器２との間の電路において、ＤＣ／ＤＣ変換器３と接続する電路へ向かう分岐部とフィルター回路７までの配線長（Ｌ１）が、フィルター回路７からＤＣ／ＤＣ変換器３までの配線長（Ｌ２）よりも短くなるよう配設されている。つまり、上記分岐部からＤＣ／ＤＣ変換器３に至るまでの電路において、上記フィルター回路７が、燃料電池スタック１のより近くになるよう配設されている。
【００２５】
以上、本実施の形態の燃料電池システムにより、上記実施の形態１に記載の燃料電池システムにより得られる効果に加え、燃料電池スタック１とフィルター回路７との間の配線において上記直流電力の電圧変動に伴う電流変動から発生する電磁波ノイズを抑制することができる。これは、次のような理由によりものである。フィルター回路７は、燃料電池スタック１の出力電圧に重畳する高周波ノイズを吸収するため、上流側に高周波のパルス電流が流れる。従って、燃料電池スタック１とフィルター回路７までの配線が長くなると、大きな放射電磁界ノイズを発生し、周囲の電子機器を誤動作させる可能性があるが、フィルター回路７を本実施の形態の燃料電池システムのように燃料電池スタック１のより近くに配設することで放射電磁界ノイズの発生を抑制することが出来る。
【００２６】
（実施の形態３）
図３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。本実施の形態の燃料電池システムのうち、実施の形態２の燃料電池システムと異なる構成について説明し、その他の構成については実施の形態２の燃料電池システムと同様でるため説明を省略する。
【００２７】
本実施の形態の燃料電池システムにおいて、燃料電池スタック１は水素から直流電力を生成する過程で熱を発生するため、その熱を回収するための熱回収器１０ならびに放熱を抑制するための断熱器９を有している。本実施の形態の燃料電池システムではこの断熱器９の内側にフィルター回路７を配設するとともに、熱回収器１０が、フィルター回路７で発生する熱も回収するよう構成されている。より具体的には、断熱器９は、ウレタンフォーム、ポリスチレンフォーム等の素材で構成された断熱材で構成され、これが燃料電池スタック１及びフィルター回路７の外周を覆うように構成されている。また、熱回収器１０は、冷媒流路（図示せず）、冷媒流路を流れる冷媒を循環させる冷媒ポンプ（図示せず）、及び冷媒を貯える冷媒タンク（図示せず）を備えるよう構成されており、上記冷媒流路を流れる冷媒がフィルター回路から熱を回収可能なように構成されている。
【００２８】
以上、本実施の形態の燃料電池システムにより、上記実施の形態２に記載の燃料電池システムにより得られる効果に加え、燃料電池システムのエネルギー効率の向上を図ることが可能になる。これは、フィルター回路７は、高周波パルス電流を平滑化する過程で熱を発生するが、実施の形態２に示すごとくフィルター回路７は、燃料電池スタック１により近くなるよう配設されているため、この特徴を利用して断熱器９の内側に配するとともに、燃料電池スタック１に対して通常設けられる熱回収器１０でフィルター回路７からも熱を回収するよう構成することで、効率向上に繋げることが可能になる。
【産業上の利用可能性】
【００２９】
本発明にかかる燃料電池システムは、高周波ＤＣ／ＡＣ変換器を用いた燃料電池システムにおいて、スタック積層数の低減化が行われても補機の動作に異常が生じ、運転が不安定になることを抑制することが可能になるため、家庭用燃料電池コージェネレーションシステムや燃料電池自動車等として有用である。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【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２における燃料電池システムのブロック構成図
【図３】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図
【図４】本発明の実施の形態１、２および３における燃料電池システム内の燃料電池スタックの出力電流波を示す図
【符号の説明】
【００３１】
１    燃料電池スタック
２    ＤＣ／ＡＣ変換器
３    ＤＣ／ＤＣ変換器
４    制御器
５    補機
６    水素生成装置
７    フィルター回路
８    系統電源
９    断熱器
１０    熱回収器
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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