JP4948881B2

JP4948881B2 - 燃料電池システム

Info

Publication number: JP4948881B2
Application number: JP2006115974A
Authority: JP
Inventors: 正徳矢吹
Original assignee: Toshiba Fuel Cell Power Systems Corp
Current assignee: Toshiba Energy Systems and Solutions Corp
Priority date: 2006-04-19
Filing date: 2006-04-19
Publication date: 2012-06-06
Anticipated expiration: 2026-04-19
Also published as: JP2007287567A

Description

本発明は、自立運転させる複数台の燃料電池から出力される直流電力を電圧制御インバータ及び電流制御インバータの並列運転により交流電力にそれぞれ変換し、その出力を負荷に供給する燃料電池システムに関する。

燃料電池システムにおいては、商用電力系統から切離された状態で複数台の燃料電池を自立運転させる場合、各燃料電池に対応させて設けられたインバータを並列運転して各燃料電池から出力される直流電力を交流電力にそれぞれ変換し、その出力を負荷に供給する形態が一般的である。

ところで、複数台の燃料電池から出力される直流電力を交流電力に変換するインバータの並列運転方式として、負荷に流れる総電流を検出して各インバータに出力電流が均等になるように分担制御する方式（特許文献１）や、各インバータの出力電流から電流偏差を検出し、補正回路により出力電流を補正して負荷をバランスさせる方式（特許文献２）など様々な方式が提案されている。

しかし、これらのインバータの並列運転方式は、回路構成が複雑になり、費用が嵩むという問題がある。

そこで、最近の燃料電池システムにおいては、インバータの並列運転方式として電圧制御の主インバータに対して電流制御の従インバータを連系させる方式を採用している。

図９は、従来の燃料電池システムに採用されているインバータ並列運転方式を説明するための系統構成図である。

図９において、１１は電圧制御を行う主インバータで、この主インバータ１１はインバータブリッジ１２と、このインバータブリッジ１２を制御するインバータ制御装置１３とを備え、インバータブリッジ１２の直流入力側は燃料電池１０に接続され、インバータブリッジ１２の交流出力側には電圧検出器（電圧変成器）１４が設けられ、この電圧検出器１４により検出された電圧信号はインバータ制御装置１３に与えられる。

また、１１１は電流制御を行う従インバータで、この従インバータ１１１はインバータブリッジ１１２と、このインバータブリッジ１１２を制御するインバータ制御装置１１３とを備え、インバータブリッジ１１２の直流入力側は燃料電池１１０に接続され、インバータブリッジ１１２の交流出力側には電圧検出器（電圧変成器）１１４と電流検出器（電流変成器）１１５がそれぞれ設けられ、電圧検出器１１４により検出された電圧信号及び電流検出器１１５により検出された電流信号はインバータ制御装置１１３にそれぞれ与えられる。

そして、これら主インバータ１１及び従インバータ１１１は同一の母線ＢＵＳに接続され、共通の負荷１に交流電力が供給される。
特開平１１−３４１８１５号公報特開２００２−３６９５４１号公報

しかし、このようなインバータ並列運転方式においては、負荷変動に対して、電圧制御インバータ１１がその出力を変化させて対応し、電流制御インバータ１１１は一定の出力を供給し続けるため、例えば負荷１の消費電力が低下すると電圧制御インバータ１１は発電効率の悪い低出力領域での運転となり、電力系統内の燃料電池全体としての発電効率が低下するという問題があった。

本発明は上記のような問題を解消し、電圧制御インバータ及び電流制御インバータの並列運転時に負荷が変動した場合でも燃料電池全体としての発電効率を高めることができる燃料電池システムを提供することを目的とする。

本発明は上記の目的を達成するため、次のような手段により燃料電池システムを構成する。

本発明は、複数台の燃料電池を自立運転させ、これら各燃料電池から出力される直流電力を交流電力にそれぞれ変換するインバータとして設けられた電圧制御インバータ及び電圧制御に切換可能な少なくとも1台の電流制御インバータの並列運転により得られる交流電力を負荷に供給する燃料電池システムにおいて、前記電圧制御インバータの直流入力側の直流電圧を検出する直流電圧検出手段と、この直流電圧検出手段により検出された直流電圧信号が入力され、この直流電圧信号と出力電力との関係を示す特性から推定される前記電圧制御インバータの出力電力と予め設定された第１の設定値とを比較し、前記電圧制御インバータの出力電力が前記第１の設定値以下のときは、前記電流制御インバータに電流制御設定値の下げ指令を与えて、前記電流制御インバータの出力を低下させ、一方、前記電圧制御インバータの出力電力が前記第１の設定値より大きくなったときは、前記電流制御インバータに電流制御設定値の上げ指令を与えて、前記電流制御インバータの出力を上昇させる並列運転制御装置とを備える。

また、本発明は、複数台の燃料電池を自立運転させ、これら各燃料電池から出力される直流電力を交流電力にそれぞれ変換するインバータとして設けられた電圧制御インバータ及び電圧制御に切換可能な少なくとも1台の電流制御インバータの並列運転により得られる交流電力を負荷に供給する燃料電池システムにおいて、前記電圧制御インバータの直流入力側の直流電流を検出する直流電流検出手段と、この直流電流検出手段により検出された直流電流信号が入力され、この直流電流信号と出力電力との関係を示す特性から推定される前記電圧制御インバータの出力電力と予め設定された第１の設定値とを比較し、前記電圧制御インバータの出力電力が前記第１の設定値以下のときは、前記電流制御インバータに電流制御設定値の下げ指令を与えて、前記電流制御インバータの出力を低下させ、一方、前記電圧制御インバータの出力電力が前記第１の設定値より大きくなったときは、前記電流制御インバータに電流制御設定値の上げ指令を与えて、前記電流制御インバータの出力を上昇させる並列運転制御装置とを備える。

本発明によれば、電圧制御インバータ及び電流制御インバータの並列運転時に負荷が変動した場合でも燃料電池全体としての発電効率を高めることができる。

以下本発明の実施形態について図面を参照して説明する。

図１は本発明の第１の実施形態を示す系統構成図で、図９と同一部分には同一符号を付して説明する。

図１において、１１は電圧制御を行う主インバータで、この主インバータ１１はインバータブリッジ１２と、このインバータブリッジ１２を制御するインバータ制御装置１３とを備え、インバータブリッジ１２の直流入力側は燃料電池１０に接続され、インバータブリッジ１２の交流出力側には電圧検出器（電圧変成器）１４が設けられ、この電圧検出器１４により検出された電圧信号はインバータ制御装置１３に与えられる。

そして、これら主インバータ１１及び従インバータ１１１は同一の母線ＢＵＳに接続され、共通の負荷１に交流電力が供給される。

一方、４は並列運転制御装置で、この並列運転制御装置４は電流制御インバータ１１１の接続点より手前の電圧制御インバータ１１の出力ラインに設けられた電流検出器（電流変成器）２及び電圧検出器（電圧変成器）９によりそれぞれ検出された電流信号３ａ及び電圧信号３ｂを取込んで電力を求め、予め定められた第１の設定値と比較する判定手段４ａと、この判定手段４ａの判定結果に基づき電流制御インバータ１１１に対して電流制御設定値の上げ又は下げ指令５を出力する設定値変更指令手段４ｂ及び判定手段４ａにより電圧制御インバータの出力電力が第１の設定値以下のとき、この第１の設定値よりも小さな第２の設定値と比較し、その比較結果に基づき運転モードを電圧制御又は電流制御モードの変更指令６を出力するモード変更指令手段４ｃを備えている。

次に上記のように構成された燃料電池システムの作用を述べる。

まず、電圧制御インバータ１１において、一方の燃料電池１０から直流電力がインバータブリッジ１２に入力されている状態で、インバータブリッジ１２がインバータ制御装置１３により電圧検出器１４により検出される電圧信号が電圧基準と一致するように電圧制御され、負荷１に交流電力を供給する。

その後、電流制御インバータ１１１は、電圧検出器１１４により検出された電圧制御インバータ１１の出力電圧を基準に電流制御にて連系運転を行い、所定の電力を負荷１に供給する。

電流制御インバータ１１１は、通常の運転状態の場合、最も発電効率が高い１００％出力点であることが一般的である。また、負荷１の消費電力が低下した場合は、電流制御インバータ１１１の出力は変化せず、発電効率の高い運転状態を継続する。

一方、電圧制御インバータ１１は、負荷１の消費電力が低下すると、図２に示すように出力電力が（イ）から（ロ）へ変化し、発電効率の低い運転状態となる。このとき、並列運転制御装置４は、電流検出器２により検出された負荷電流検出値３ａ及び電圧検出器９により検出された電圧検出値３ｂの入力により算出される電圧制御インバータ１１の発電電力をもとに図３に示すような判定処理を行う。

即ち、ステップＳ１にて電圧制御インバータ１１の出力電力が設定値Ａ以下かどうかを判定し、設定値Ａ以下のときは設定値変更指令手段より電流制御インバータ１１１に図２に示す発電効率が高い範囲内で、電流制御設定値の下げ指令５を与えて、電流制御インバータ１１１の出力を低下させる。

その結果、図４に示すように電圧制御インバータ１１の出力が増加し、運転状態が図２に示す（ロ）から（ハ）へ変化し、発電効率の高い運転状態となる。

このような運転状態にあるとき、負荷１の消費電力がさらに低下して電圧制御インバータ１１の出力電力が図２に示す(ハ)から（ニ）に変化すると、ステップＳ２にて電圧制御インバータ１１の出力電力が設定値Ｂ以下になったかどうかを判定し、設定値Ｂ以下のときはモード変更指令手段４ｃにより電流制御インバータ１１１に運転モードとして電圧制御モードの変更指令６を与えて電圧制御に変更する。

その結果、図４に示すように電圧制御インバータ１１の出力が増加し、運転状態が図２に示す（ニ）から（ホ）へ変化し、発電効率の高い運転状態となる。

したがって、電力系統内の燃料電池全体として発電効率が高くなる。

この状態で、負荷１の消費電力が上昇し、ステップＳ２にて電圧制御インバータ１１の出力電力が設定値Ｂより大きくなったと判定されると、モード変更指令手段４ｃにより電流制御インバータ１１１に運転モードとして再び電流制御モードの変更指令６を与えて電流制御に変更し、より効率の高い運転を行う。

さらに、負荷１の消費電力が上昇し、ステップＳ１にて電圧制御インバータ１１の出力電力が設定値Ａより大きくなったと判定されると、設定値変更指令手段４ｂにより電流制御インバータ１１１に電流制御設定値の上げ指令５を与え、最も発電効率の高い出力状態とし、電力系統内の燃料電池全体としての発電効率を高くする。

このように本発明の第１の実施形態によれば、負荷１の消費電力が低下した場合、あるいは上昇した場合のどちらのケースにおいても、電流制御インバータ１１１の電流制御設定値を変更や、運転モードを電圧制御又は電流制御に切換えることによって、電力系統内の燃料電池全体としての発電効率を高くすることができる。その結果、交流電源のない電力系統において、複数台のインバータを高効率並列自立運転することができる。

図５は本発明の第２の実施形態を示す系統構成図で、図１と同一部分には同一符号を付してその説明を省略し、ここでは異なる部分について述べる。

第２の実施形態では、図５に示すように電圧制御インバータ１１内のインバータブリッジ１２の燃料電池１０側に直流電圧検出器１７を接続し、この直流電圧検出器１７により検出される直流電圧検出値７を並列運転制御装置４に入力する。

ここで、電圧制御インバータ１１における直流電圧検出値７と出力電力とは、経時的な変化を考慮しても図６に示すような一定の関係がある。

そこで、並列運転制御装置４に図６に示す直流電圧と出力電力の関係を示す特性に基づいて直流電圧から電圧制御インバータ１１の出力電力を推定する換算手段を設ける以外は第１の実施形態と同じである。

このような構成としても、第１の実施形態と同様に、負荷１の消費電力が低下した場合、あるいは上昇した場合のどちらのケースにおいても、電流制御インバータ１１１の電流制御設定値を変更や、運転モードを電圧制御又は電流制御に切換えることによって、電力系統内の燃料電池全体としての発電効率を高くすることができる。その結果、交流電源のない電力系統において、複数台のインバータを高効率並列自立運転することができる。

図７は本発明の第３の実施形態を示す系統構成図で、図１と同一部分には同一符号を付してその説明を省略し、ここでは異なる部分について述べる。

第３の実施形態では、図７に示すように電圧制御インバータ１１内のインバータブリッジ１２の燃料電池１０側に直流電流検出器１８を設け、この直流電流検出器１８により検出される直流電流検出値８を並列運転制御装置４に入力する。

ここで、電圧制御インバータ１１における直流電流検出値８と出力電力とは、経時的な変化を考慮しても図８に示すような一定の関係がある。

そこで、並列運転制御装置４に図８に示す直流電流と出力電力の関係を示す特性に基づいて直流電流から電圧制御インバータ１１の出力電力を推定する換算手段を設ける以外は第１の実施形態と同じである。

なお、第１乃至第３の実施形態では、電圧制御インバータ及び電流制御インバータがそれぞれそれぞれ１台の場合について述べたが、負荷１に対して並列運転される電圧制御インバータ及び電流制御インバータがそれぞれ複数台ある場合は、並列運転制御装置４から電流制御インバータの制御装置に伝送される電流制御設定指令値及び制御モード変更指令のライン数をその台数に応じて増加させるだけでよい。

本発明の第１の実施形態を示す系統構成図。同実施形態において、出力電力と発電効率の関係を示す特性図。同実施形態において、並列運転制御装置での判定処理内容を示すフロー図。同実施形態において、負荷の消費電力と各インバータの出力電力の関係を示す図。本発明の第２の実施形態を示す系統構成図。同実施形態において、直流電圧と電圧制御インバータの出力電力との関係を示す特性図。本発明の第３の実施形態を示す系統構成図。同実施形態において、直流電流と電圧制御インバータの出力電力との関係を示す特性図。従来のインバータの並列運転方式を採用した燃料電池システムを示す系統構成図。

符号の説明

１…負荷、２…電流検出器、４…並列運転制御装置、４ａ…判定手段、４ｂ…設定値変更指令手段、４ｃ…運転モード変更指令手段、９…電圧検出器、１０，１１０…燃料電池、１１…電圧制御インバータ、１２，１１２…インバータブリッジ、１３，１１３…制御装置、１７，１１４…電圧検出器、１８，１１５…電流検出器

Claims

複数台の燃料電池を自立運転させ、これら各燃料電池から出力される直流電力を交流電力にそれぞれ変換するインバータとして設けられた電圧制御インバータ及び電圧制御に切換可能な少なくとも1台の電流制御インバータの並列運転により得られる交流電力を負荷に供給する燃料電池システムにおいて、
前記電圧制御インバータの直流入力側の直流電圧を検出する直流電圧検出手段と、この直流電圧検出手段により検出された直流電圧信号が入力され、この直流電圧信号と出力電力との関係を示す特性から推定される前記電圧制御インバータの出力電力と予め設定された第１の設定値とを比較し、前記電圧制御インバータの出力電力が前記第１の設定値以下のときは、前記電流制御インバータに電流制御設定値の下げ指令を与えて、前記電流制御インバータの出力を低下させ、一方、前記電圧制御インバータの出力電力が前記第１の設定値より大きくなったときは、前記電流制御インバータに電流制御設定値の上げ指令を与えて、前記電流制御インバータの出力を上昇させる並列運転制御装置とを備えたことを特徴とする燃料電池システム。
複数台の燃料電池を自立運転させ、これら各燃料電池から出力される直流電力を交流電力にそれぞれ変換するインバータとして設けられた電圧制御インバータ及び電圧制御に切換可能な少なくとも1台の電流制御インバータの並列運転により得られる交流電力を負荷に供給する燃料電池システムにおいて、
前記電圧制御インバータの直流入力側の直流電流を検出する直流電流検出手段と、この直流電流検出手段により検出された直流電流信号が入力され、この直流電流信号と出力電力との関係を示す特性から推定される前記電圧制御インバータの出力電力と予め設定された第１の設定値とを比較し、前記電圧制御インバータの出力電力が前記第１の設定値以下のときは、前記電流制御インバータに電流制御設定値の下げ指令を与えて、前記電流制御インバータの出力を低下させ、一方、前記電圧制御インバータの出力電力が前記第１の設定値より大きくなったときは、前記電流制御インバータに電流制御設定値の上げ指令を与えて、前記電流制御インバータの出力を上昇させる並列運転制御装置とを備えたことを特徴とする燃料電池システム。
並列運転制御装置は、電圧制御インバータの出力電力が第１の設定値を下回ったとき、予め前記第１の設定値より低値に設定された第２の設定値と比較し、その比較結果に基づき前記電流制御インバータに電圧制御モード又は電流制御モードの運転モード切換指令を与えるようにしたことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の燃料電池システム。