(57)【要約】  【課題】直流交流変換手段の内部回路素子の破壊を防止する燃料電池システムを提供する。  【解決手段】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直流交流変換手段１２と、起動から発電までの一連の動作を制御する運転制御手段１４と、直流交流変換手段１２の出力端での線間電圧を計測する線間電圧計測手段１５と、直流交流変換手段１２内への信号により直流交流変換手段１２の出力を停止させる直流交流変換出力停止手段１６とを備え、運転制御手段１４は、線間電圧計測手段１５により直流交流変換手段１２の出力端にて線間過電圧を検出した場合、直流交流変換出力停止手段１６により直流交流変換手段１２の出力を停止させる。【選択図】図１
2009170330.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池と、商用電源に接続され前記燃料電池からの直流電力を交流電力に変換する直流交流変換手段と、起動から発電までの一連の動作を制御する運転制御手段と、前記直流交流変換手段の出力端での線間電圧を計測する線間電圧計測手段と、前記直流交流変換手段内への信号により直流交流変換手段の出力を停止させる直流交流変換出力停止手段とを備え、前記運転制御手段は、前記線間電圧計測手段により前記直流交流変換手段の出力端にて線間過電圧を検出した場合、前記直流交流変換出力停止手段により前記直流交流変換手段の出力を停止して、前記直流交流変換手段の出力端での線間過電圧を一定電圧以下に抑えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
燃料電池からの直流電力を消費する余剰電力消費手段を備え、運転制御手段は、直流交流変換出力停止手段による直流交流変換手段の出力停止中は、前記余剰電力消費手段にて直流電力を消費するとともに、燃料電池での直流電力出力値を徐々に低下させ、燃料電池からの直流電力出力を継続することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
余剰電力消費手段は、直流交流変換手段内のＤＣＤＣコンバータ出力を入力とすることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
線間電圧計測手段に入力フィルタを備え、運転制御手段は、短いパルス幅のノイズを検出しないようにフィルタ時定数を設定することを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
異常表示報知手段を備え、運転制御手段は、直流交流変換出力停止手段による直流交流変換手段の出力停止中は、異常表示報知手段により線間過電圧異常を報知することを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
運転制御手段は、直流交流変換出力停止手段による直流交流変換手段の出力停止後、一定時間後に、燃料電池からの出力分だけ、直流交流変換手段の出力を再開することを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に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は、交流電力出力波形計測手段により、直流交流変換手段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８は、従来の燃料電池システムを示すものである。図８に示すように、燃料電池１は、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発電を行う。
【０００４】
直流交流変換手段２は後述する線間電圧計測手段５を介して商用電源に接続され、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。なお、運転制御手段４は起動から発電までの一連の動作を制御する。
【０００５】
また線間電圧計測手段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より出力される交流電力の出力電流波形および商用電源での電圧波形を計測する。
【０００６】
漏電遮断器６は直流交流変換手段２の出力端に接続され、漏電等の何らかの原因により作動して、遮断することにより、直流交流変換手段２の内部回路すなわち燃料電池システムに大電流が流れることを防止する。
【０００７】
ここで運転制御手段４は、線間電圧計測手段５により直流交流変換手段２より出力される交流電力の出力波形を逐一計測し、商用電源の電圧波形が正常であるのに直流交流変換手段２より出力される交流電力の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】
しかしながら、前記従来の構成では、商用電源の電圧波形を参照しながら、直流交流変換手段２の出力電流波形が異常であるかどうかを検知しているだけであるので、何らかの原因により漏電遮断器６が作動して、出力端が開放状態となったとき、直流交流変換手段２の出力エネルギーの行先がなくなり、直流交流変換手段２の出力端にて過電圧が発生し、内部回路素子の耐圧以上に電圧が上昇すれば内部回路素子が破壊されるという課題を有していた。
【０００９】
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、直流交流変換手段の出力端にて線間過電圧を検出した場合、直流交流変換手段の出力を強制的に停止し、線間電圧を一定電圧以下に抑え、直流交流変換手段の内部回路素子の破壊を防止することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
前記従来の課題を解決するために、本発明の燃料電池システムは、燃料電池と、商用電源に接続され前記燃料電池からの直流電力を交流電力に変換する直流交流変換手段と、起動から発電までの一連の動作を制御する運転制御手段と、前記直流交流変換手段の出力端での線間電圧を計測する線間電圧計測手段と、前記直流交流変換手段内への信号により直流交流変換手段の出力を停止させる直流交流変換出力停止手段とを備え、前記運転制御手段は、前記線間電圧計測手段により前記直流交流変換手段の出力端にて線間過電圧を検出した場合、前記直流交流変換出力停止手段により前記直流交流変換手段の出力を停止して、前記直流交流変換手段の出力端での線間過電圧を一定電圧以下に抑える。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の燃料電池システムによれば、線間過電圧が発生した場合でも、直流交流変換手段の出力を強制的に停止して、過電圧を一定電圧以下に抑えることができ、直流交流変換手段の内部回路素子の破壊を防止することが可能となる。
【００１２】
また直流交流変換手段の出力停止後も余剰電力消費手段により直流電力を消費させることにより、燃料電池システムを停止させることがないので、不要停止による起動エネルギー等の損失を削減することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
第１の発明は、燃料電池と、商用電源に接続され、燃料電池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に交流電力を供給する直流交流変換手段と、起動から発電までの一連の動作を制御する運転制御手段と、直流交流変換手段の出力端での線間電圧を計測する線間電圧計測手段と、直流交流変換手段内への信号により直流交流変換手段の出力を停止させる直流交流変換出力停止手段とを備え、運転制御手段は、線間電圧計測手段により直流交流変換手段の出力端にて線間過電圧を検出した場合、直流交流変換出力停止手段により直流交流変換手段の出力を停止して、直流交流変換手段の出力端での線間過電圧を一定電圧以下に抑えることにより、直流交流変換手段の内部回路素子の破壊を防止することが可能となる。
【００１４】
第２の発明は、特に第１の発明の燃料電池システムに加え、燃料電池からの直流電力を消費する余剰電力消費手段を備え、運転制御手段は、直流交流変換出力停止手段による直流交流変換手段の出力停止中は、余剰電力消費手段にて直流電力を消費するとともに、燃料電池での直流電力出力値を徐々に低下させ、燃料電池からの直流電力出力を継続することにより、燃料電池システムを停止させることがなくなるので、不要停止による起動エネルギー等の損失を削減することが可能となる。
【００１５】
第３の発明は、特に第２の発明の余剰電力消費手段は、直流交流変換手段内のＤＣＤＣコンバータ出力を入力とすることにより、燃料電池出力の直流電圧から直接ではなく、燃料電池からの直流電圧をＤＣＤＣコンバータにて昇圧した後の直流４００Ｖ程度の電圧を入力することができるので、燃料電池出力から直接入力するよりも高電圧を得ることができ、直流電流値も小さく、容易に電力を熱に変えることが可能となる。
【００１６】
第４の発明は、特に第１または第２の発明の燃料電池システムにおける線間電圧計測手段に入力フィルタを備え、運転制御手段は、短いパルス幅のノイズを検出しないようにフィルタ時定数を設定することにより、１μｓ程度のノイズに対しても誤動作しないような、ノイズに強いシステムにすることができる。
【００１７】
第５の発明は、特に第１から第４のいずれか１つの発明の燃料電池システムに加え、異常表示報知手段を備え、運転制御手段は、直流交流変換出力停止手段による直流交流変換手段の出力停止中は、異常表示報知手段により線間過電圧異常を報知することにより、燃料電池システムが出力停止していることを表示あるいは報知することにより、停止した原因が明らかとなり、サービスマンあるいは使用者に明確となる。
【００１８】
第６の発明は、特に第１から第５のいずれか１つの発明の運転制御手段は、直流交流変換出力停止手段による直流交流変換手段の出力停止後、一定時間後に、燃料電池からの出力分だけ、直流交流変換手段の出力を再開することにより、より無駄なく、効率的に燃料電池システムでの発電を継続することが可能となる。
【００１９】
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。なお、この実施の形態によってこの発明が限定されるものではない。
【００２０】
（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。
【００２１】
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を原料として燃料電池１１で発電が行われる。直流交流変換手段１２は商用電源に接続され、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。
【００２２】
運転制御手段１４は起動から発電までの一連の動作を制御する。また線間電圧計測手段１５は直流交流変換手段１２の出力端に接続され、出力端での線間過電圧を検出するものである。そして線間電圧計測手段１５が過電圧を検出した場合、直流交流変換出力停止手段１６により、直流交流変換手段１２の出力を強制的に停止して、線間電圧を一定電圧以下に抑えるようにする。
【００２３】
漏電遮断器１７は直流交流変換手段１２の出力端に接続され、漏電等の何らかの原因により作動して、遮断することにより、直流交流変換手段１２の内部回路すなわち燃料電池システムに大電流が流れることを防止する。
【００２４】
ここで、運転制御手段１４は、線間電圧計測手段１５により直流交流変換手段１２の出力端にて線間過電圧を検出した場合、直流交流変換出力停止手段１６により直流交流変換手段１２の出力を停止して、直流交流変換手段１２の出力端での線間過電圧を一定電圧以下に抑える。
【００２５】
図２は漏電遮断器１７が遮断される時間ｔａ前後での、直流交流変換手段１２のＵ−Ｏ間の線間電圧Ｖ（Ｕ−Ｏ）およびＷ−Ｏ間での線間電圧Ｖ（Ｗ−Ｏ）の電圧波形を示している。
【００２６】
Ｖ（Ｕ−Ｏ）とＶ（Ｗ−Ｏ）は、それぞれ電圧が１００Ｖで、位相が互いに１８０°ずれており、合計で２００Ｖの単相３線電圧を形成する。通常の状態である漏電遮断器１７がＯＮの通電状態のとき、各電圧波形は実効値１００Ｖ程度で、ピーク値は±１００×√２＝±１４１Ｖ程度である。
【００２７】
しかし、漏電遮断器１７が何らかの原因により漏電を検知して、時間ｔａにてＯＦＦの遮断状態となった場合、直流交流変換手段１２の出力端が開放状態となり、家庭内負荷１３が直流交流変換手段１２から切り離されるので、直流交流変換手段１２の出力エネルギーの行き先がなくなり、出力端にて過電圧が発生する。そして、直流交流変換手段１２の内部回路素子の耐圧以上に上昇すれば、内部回路素子が破壊される可能性がある。
【００２８】
しかしここで、線間電圧計測手段１５により、直流交流変換手段１２の出力端での線間電圧を検出する。図２において、線間過電圧のリミット値Ｖ（＋）ｌｉｍｉｔおよびＶ（−）ｌｉｍｉｔを回路素子の耐圧等から考慮して、±１００×√２×１５０％＝±２１２Ｖとして、線間電圧計測手段１５での過電圧検出値を、設計的には、通常値の±１４１Ｖおよび、Ｖ（＋）ｌｉｍｉｔ＝２１２Ｖ、Ｖ（−）ｌｉｍｉｔ＝−２１２Ｖから計算して、例えば±１００×√２×１３０％±１０Ｖとする。
【００２９】
すなわちＶａｃ（＋）＞１９３Ｖ、Ｖａｃ（−）＜−１９３Ｖの場合に、運転制御手段１４は線間過電圧が発生したと判断し、直流交流変換出力停止手段１６により、検出後０．１〜数ｍｓ程度にて、直流交流変換手段１２の出力を強制的に停止する。
【００３０】
図３は直流交流変換手段１２内の後段のインバータ回路を示す。インバータ回路は主としてスイッチング素子Ａ〜Ｄのブリッジ回路により構成され、スイッチング素子はＦＥＴあるいはＩＧＢＴ等の大電流制御用半導体で構成される。
【００３１】
このスイッチング素子Ａ〜Ｄのブリッジ回路により、直流４００Ｖ程度の電力を交流２００Ｖに直流交流変換して交流２００Ｖの電流を出力している。ここでは１０００Ｗ出力すると仮定した場合、交流２００Ｖの商用電源に位相を同期させて、１０００Ｗ÷２００Ｖ＝５Ａ程度の交流電流を出力することになる。
【００３２】
通常時のインバータ出力制御動作としては、素子Ａと素子ＤがＯＮしたとき、最初の半周期で交流正弦波形の上半分（半波）が出力され、素子Ｂと素子ＣがＯＮしたとき、残りの半周期で交流正弦波形の下半分（半波）が出力されることになる。
【００３３】
この素子Ａ〜ＤをＯＮ／ＯＦＦする制御は、運転制御手段１４により、ドライブ信号発生回路からのドライブ信号をインバータドライブ回路に出力することにより制御されることになる。
【００３４】
ここで線間電圧計測手段１５により、直流交流変換手段１２の出力端での線間電圧を瞬時にハード的な処理により検出した場合、通常時の制御とは異なる信号経路である、直流交流変換出力停止手段１６によって、インバータドライブ回路にドライブ信号を出力することにより、インバータドライブ回路から素子Ａ〜Ｄのゲートに停止信号が出力され、ゲートブロックをかけることになり、スイッチング素子Ａ〜Ｄのブリッジ回路出力が停止する。この場合、検出後出力停止までの処理時間は、前述のように０．１〜数ｍｓ程度にて処理される。
【００３５】
このように直流交流変換手段１２自身は運転制御手段１４からの通常ルートでの処理、ソフト的な通常のインバータドライブ出力停止では間に合わない可能性があるので、ハード的処理にて直流交流変換出力停止手段１６により、強制的にインバータドライブ信号によりゲートブロックをかけて出力停止する。このことにより結果的に、図２においてＶａｃ（＋）およびＶａｃ（−）はそれぞれ±１００×√２×１４５％＝±２０５Ｖ以下となることを目論むものである。
【００３６】
また、直流交流変換手段１２の出力端にＲ、Ｃ等による出力フィルタ（図示せず）を設けて放電させ、図２の波形に示すように、線間電圧を数十ｍｓ程度でゼロに減衰させるようフィルタの時定数τ＝Ｒ×Ｃに設定することにより、内部回路素子への過電圧によるダメージをいち早く解消できる。
【００３７】
かかる構成によれば、直流交流変換手段の内部回路素子の破壊を防止することが可能となる。
【００３８】
（実施の形態２）
図４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。
【００３９】
図４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、説明を省略する。
【００４０】
図４において、余剰電力消費手段１８は、燃料電池１１からの直流電力を消費するものである。ここで、運転制御手段１４は、直流交流変換出力停止手段１６による直流交流変換手段１２の出力停止中は、余剰電力消費手段１８にて直流電力を消費するとともに、燃料電池１１での直流電力出力値を徐々に低下させ、燃料電池１１からの直流電力出力を継続する。
【００４１】
直流交流変換出力停止手段１６により直流交流変換手段１２からの出力が停止された場合、停止する直前の出力電力分をこの余剰電力消費手段１８により消費する。
【００４２】
つまり、直流交流変換手段１２からの出力が停止された電力分だけ、運転制御手段１４は、余剰電力消費手段１８に電力消費を指令するもので、０〜１０００Ｗの間で設定され、燃料電池１１からの直流電力を一時的に消費するものであり、余剰電力消費手段１８にて電力消費中は、燃料電池１１での発電量は化学反応であるので一度にゼロにすることができないが、燃料電池１１からの直流電力出力を徐々に低下させ、余剰電力消費手段１８での比較的無駄な電力消費を少なくさせるように制御する。
【００４３】
かかる構成によれば、燃料電池システムを停止させることがなくなるので、不要停止による起動エネルギー等の損失を削減することが可能となる。また、余剰電力消費手段１８は、直流交流変換手段１２内のＤＣＤＣコンバータ出力を入力とするものである。
【００４４】
図５において直流交流変換手段１２は、ＤＣＤＣコンバータ１２ａとインバータ１２ｂとにより構成され、ＤＣＤＣコンバータ１２ａは、燃料電池１１の直流電圧を昇圧させるもので、例えば燃料電池１１からの直流２０Ｖ程度の電圧を、複数段の昇圧回路により、直流４００Ｖ程度までに昇圧させ、後段のインバータにて交流２００Ｖに変換しやすいようにする。
【００４５】
そしてインバータ１２ｂにおいて直流４００Ｖ程度の電力を交流２００Ｖに直流交流変換して交流２００Ｖの電流を出力するものである。ここでは１０００Ｗ出力するとした場合、交流２００Ｖの商用電源に同期させて、１０００Ｗ÷２００Ｖ＝５Ａ程度の交流電流を出力することになる。
【００４６】
また余剰電力消費手段１８は、運転制御手段１４からの指令により、余剰電力コンバータ１８ａにおいて、ＤＣＤＣコンバータ１２ａの４００Ｖの直流電力を入力として、余剰電力ヒータ１８ｂに直流電力を出力し、余剰電力ヒータ１８ｂにおいて熱に変換して消費するものである。この余剰電力ヒータ１８ｂは例えば、貯湯槽（図示せず）に設置され、熱により貯湯槽内の水を湯に変えて有効に利用する。
【００４７】
かかる構成によれば、燃料電池出力の直流電圧から直接ではなく、燃料電池からの直流電圧をＤＣＤＣコンバータにて昇圧した後の直流４００Ｖ程度の電圧を入力することができるので、燃料電池出力から直接入力するよりも高電圧を得ることができ、直流電流値も小さく、容易に電力を熱に変えることが可能となる。
【００４８】
また、線間電圧計測手段１５に入力フィルタを備え、運転制御手段１４は、短いパルス幅のノイズを検出しないようにフィルタ時定数を設定するものである。
【００４９】
図６において線間電圧計測手段１５は、入力フィルタ１５ａとしてローパスフィルタを備え、線間電圧検出回路１５ｂへと出力するものである。入力フィルタ１５ａは、１μｓ程度のインパルスノイズのパルス幅に対しては誤動作（不要検知）しないように、ＲおよびＣ等を設定する。
【００５０】
すなわち時定数τ＝Ｃ×Ｒを例えば１００μｓ程度に設定したローパスフィルタとする。これによりインパルスノイズ試験においても誤動作により不合格とならず、また一般的なノイズに対しても強い回路を構成できる。かかる構成によれば、１μｓ程度のノイズに対しても誤動作しないような、ノイズに強いシステムにすることができる。
【００５１】
（実施の形態３）
図７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。図７において図１または図４と同じ構成要素については同一符号を用い、説明を省略する。
【００５２】
図７において、異常表示報知手段１９は、燃料電池システムが異常状態であることを報知するためのもので、ＬＥＤ、ＬＣＤ等の表示装置およびブザー、チャイム、音声合成等の報知装置で構成される。
【００５３】
ここで、運転制御手段１４は、直流交流変換出力停止手段１６による直流交流変換手段１２の出力停止中は、異常表示報知手段１９により線間過電圧異常を報知するものである。
【００５４】
表示内容としては、例えば「線間過電圧異常」という文字、あるいは「Ｆ１Ｆ」というアルファベット文字を数字の組み合わせた表示でもよい。報知内容としては、「ただいま線間過電圧異常です」という音声でお知らせしたり、「ピー」や「ブー」等のブザー音やチャイムで知らせたりしてもよい。
【００５５】
直流交流変換出力停止手段１６による直流交流変換手段１２の出力停止は、ハード的処理により、少しでも早く線間過電圧を検出し、電圧上昇を防止しなければならないが、運転制御手段１４による異常表示報知手段１９での表示および報知はｍｓのオーダーでなくても構わない。
【００５６】
かかる構成によれば、燃料電池システムが出力停止していることを表示あるいは報知することにより、停止した原因が明らかとなり、サービスマンあるいは使用者に明確となる。
【００５７】
また、運転制御手段１４は、直流交流変換出力停止手段１６による直流交流変換手段１２の出力停止後、一定時間後に、燃料電池１１からの出力分だけ、直流交流変換手段１２の出力を再開するものである。
【００５８】
運転制御手段１４は、直流交流変換手段１２の出力停止後、例えば数秒後に線間電圧計測手段１５により線間過電圧がゼロに減衰しているのを確認できれば、復帰タイマー経過後、ここでは１５０秒経過後に、直流交流変換手段１２の出力を再開し、余剰電力消費手段１８での電力消費をゼロにする。
【００５９】
直流交流変換手段１２での出力電力値は、その出力再開時点では、燃料電池１１での出力電力値も低下しているはずであるので、その時点での燃料電池１１からの直流電力値にしたがって、運転制御手段１４は出力値を指令するものである。
【００６０】
かかる構成によれば、より無駄なく、効率的に燃料電池システムでの発電を継続することが可能となる。
【産業上の利用可能性】
【００６１】
本発明の燃料電池システムは、線間過電圧を検出した直後に出力を強制停止して、内部回路素子の破壊を防止するとともに、余剰電力消費手段により燃料電池からの電力を消費するもので、燃料電池システムが不要停止することを防止するものであり、燃料電池を用いて安全で経済的な発電が行われるのに有用である。これはまた他の電池方式や動力源を用いた発電システムにも応用が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００６２】
【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】同燃料電池システムの線間電圧を示す波形図
【図３】同燃料電池システムのインバータドライブ回路図
【図４】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５】同燃料電池システムの直流交流変換手段と余剰電力消費手段の内部ブロック構成図
【図６】同燃料電池システムの線間電圧計測手段の内部ブロック構成図
【図７】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８】従来の燃料電池システムのブロック構成図
【符号の説明】
【００６３】
１１  燃料電池
１２  直流交流変換手段
１２ａ  ＤＣＤＣコンバータ
１２ｂ  インバータ
１３  家庭内負荷
１４  運転制御手段
１５  線間電圧計測手段
１５ａ  入力フィルタ
１５ｂ  線間電圧検出回路
１６  直流交流変換出力停止手段
１７  漏電遮断器
１８  余剰電力消費手段
１８ａ  余剰電力コンバータ
１８ｂ  余剰電力ヒータ
１９  異常表示報知手段
【図１】
2009170330.tif 000003
【図２】
2009170330.tif 000004
【図３】
2009170330.tif 000005
【図４】
2009170330.tif 000006
【図５】
2009170330.tif 000007
【図６】
2009170330.tif 000008
【図７】
2009170330.tif 000009
【図８】
2009170330.tif 000010