JPH08162138A - 燃料電池発電システム制御方法および制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 燃料電池からの発電量が適正範囲内か否かに
よって発電システムの異常作動を的確に判別し、この異
常を簡単かつ速やかに報知する信頼性の高い燃料電池発
電システム制御方法および制御装置を提供する。 【構成】 異常判別回路１２がセンサＤＣＩ９、センサ
ＤＣＶ１０、センサＡＣＰ１１、供給弁３、供給弁５、
直交変換器７に接続される。また、直交変換器７の変換
効率推定値１２ｂが交流電力計測値１１ａの関数として
設定される。算出手段１２１が出力電圧計測値１０ａと
交流電力計測値１１ａ、前記変換効率推定値１２ｂを用
いて基準値１２ａを算出し、判別手段１２２が前記基準
値１２ａと直流電流計測値９ａとの差を監視し、この差
が規定範囲を越えた場合、報知手段１２３がシステム停
止命令１２ｃにより発電システムを停止する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、監視および保護機能を
改良した燃料電池発電システム制御方法および制御装置
に関する。

【０００２】

【従来の技術】発電システムにおいて燃料を電気エネル
ギーに変換する技術に関しては、従来より、多くの改良
および研究開発が進められている。その中でも、特に、
燃料の有する化学的エネルギーを直接電気的エネルギー
に変換する燃料電池は、周囲の環境に与える問題が少な
く、負荷変動に対する応答性も良い。このため、近年で
は、この燃料電池を、特に都市部における発電システム
へ適用するための研究が進められている。

【０００３】このような燃料電池を使用して発電を行う
燃料電池発電システムについては、一般に、図３に示す
ような構成を有するものが知られている。図３におい
て、燃料電池本体１は、燃料極１ａおよび空気極１ｂか
ら構成されている。前記燃料極１ａへは供給弁３より供
給ライン２を介して燃料が供給され、前記空気極１ｂへ
は供給弁５より供給ライン４を介して空気が供給されて
いる。前記燃料電池本体１は、これらの燃料および空気
を原料とする電極反応により、直流電力を出力する。出
力された直流電力は、供給ライン６を介して直交変換器
７に送られ、ここで交流電力に変換されたのち、供給ラ
イン８を介して出力される。

【０００４】上記のような燃料電池発電システムでは、
一般に、燃料電池本体１への燃料および空気の供給量
が、燃料電池本体１から出力される直流電流の計測値に
より制御されている。すなわち、燃料電池本体１より出
力される直流電流は、電流センサＤＣＩ９によって常時
計測されており、この直流電流の計測値９ａに基づい
て、燃料電池本体１からの発電量に見合う流量の燃料お
よび空気が、供給弁３および５から燃料電池本体１へと
供給されている。

【０００５】また、電圧センサＤＣＶ１０では燃料電池
本体１より出力される電圧を、電流センサＡＣＰ１１で
は直交変換器によって変換出力される交流電力を、それ
ぞれ計測している。従来より、これらのセンサによって
得られる前記電圧の計測値１０ａおよび交流電力の計測
値１１ａは、発電システムを監視および制御するための
指標として利用されている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
ような構成を有する従来の燃料電池発電システムの運転
中、電流センサＤＣＩ９の作動不良等、発電システム内
に異常が発生した場合には、前記直流電流の計測値９ａ
が大幅に増減し、適切な値を示さなくなることがある。
このような場合、前記計測値９ａの値に基づいて燃料お
よび空気の供給量の制御を行う従来の制御方法では、こ
のような発電システム内の異常を判別するための適切な
手段がなかった。

【０００７】例えば、発電システム内のセンサ異常等に
より、前記計測値９ａが大幅に増加する場合、従来で
は、これが燃料電池本体１における燃料および空気の供
給量過多の状態と混同され、これらの供給量を減量する
ための制御が行われることがあった。このため、燃料お
よび空気の流量は、燃料電池本体が生成する実際の電力
量に適した値とならず、供給不足の状態になるという問
題が生じていた。

【０００８】また、発電システム内のセンサ異常等によ
り、前記計測値９ａが大幅に減少する場合も、従来で
は、これが燃料電池本体１における燃料および空気の供
給量の不足によるものと混同され、燃料および空気の供
給量を、燃料電池本体１の通常の発電量に見合わない値
まで引き上げるための制御が行われることがあった。

【０００９】このように、従来の燃料電池発電システム
の制御系統では、発電システム内の装置の異常作動を察
知できず、的確な制御を行えないという問題があった。
さらに、上記のような不適切な制御が原因で、燃料電池
本体１が必要以上に消耗されるために、燃料電池の電圧
性能および寿命の低下が早まるという問題もあった。本
発明は、上記のような従来技術の問題点を解決するため
に成されたものであり、その第１の目的は、燃料電池か
らの発電量が適正量であるか否かを監視して、発電シス
テムの異常を的確に判別する燃料電池発電システム制御
方法および制御装置を提供することにある。

【００１０】本発明の第２の目的は、発電システム内で
の異常を簡潔かつ速やかに報知する燃料電池発電システ
ム制御装置を提供することにある。

【００１１】本発明の第３の目的は、燃料電池からの発
電量が適正量であるか否かを判断する際に指標となる基
準値を、より正確に設定する燃料電池発電システム制御
装置を提供することにある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記のような目的を解決
するための手段として、請求項１記載の発明では、燃料
電池発電システム制御方法において、燃料電池より出力
された直流電力を計測し、この直流電力の計測値に応じ
て、前記燃料電池へ供給される所定の原料の流量を制御
する一方で、前記燃料電池より出力された電圧と、前記
直流電力を直交変換器により変換して出力された交流電
力とを計測し、これらの計測値に基づいて、発電システ
ム全体の動作状況を監視する燃料発電システム制御方法
において、前記燃料電池が生成する電力量として適切な
量を基準値として設定し、前記基準値と前記直流電力の
計測値との差の大きさに基づいて、発電システムにおけ
る異常作動の発生を判別することを特徴とする。

【００１３】請求項２記載の発明では、燃料電池発電シ
ステム制御装置において、燃料電池より出力された直流
電流を計測する第１のセンサと、前記燃料電池より出力
された電圧を計測する第２のセンサと、直流電力を交流
電力に変換する直交変換器と、前記交流電力を計測する
第３のセンサとを備えた燃料電池発電システム制御装置
において、前記燃料電池が生成する直流電流として適切
な量を基準値として算出する算出手段と、前記基準値
と、前記第１のセンサにより計測された直流電流の計測
値との差の絶対値が規定の範囲を越えているか否かによ
り、発電システムの異常を判別する判別手段と、前記の
差が規定範囲を越えている場合、発電システムの異常を
報知する報知手段とを備えたことを特徴とする。

【００１４】請求項３記載の発明では、請求項２記載の
燃料電池発電システム制御装置において、前記算出手段
が、前記第２のセンサにより計測された電圧の計測値
と、前記第３のセンサにより計測された交流電力の計測
値と、前記直交変換器における変換効率の推定値とか
ら、前記燃料電池が生成する直流電流の基準値を算出す
ることを特徴とする。

【００１５】請求項４記載の発明において、請求項３記
載の燃料電池発電システム制御装置において、前記直交
変換器における変換効率の推定値が、交流電力の計測
値、直流電流の計測値、交流電力の出力量として指定さ
れた値、直流電力の出力量として指定された値のうち
の、いずれか１つの値の関数であることを特徴とする。

【００１６】

【作用】上記のような手段を有する本発明によって得ら
れる作用について、図面を用いて以下に説明する。ま
ず、請求項１記載の発明によれば、燃料電池からの発電
量が適正範囲内にあるかを常時監視し、この発電量の異
常を判別する仕組みを得ることができる。

【００１７】すなわち、燃料電池発電システム内の各セ
ンサによって計測される出力電流および電圧の計測値に
基づき、所定の計算式を用いて、燃料電池本体からの発
電量として適正とされる基準値が算出される。次に、算
出された前記発電量の基準値と、燃料電池本体が実際に
出力した発電量すなわち直流電流の計測値とが比較され
る。そして、前記発電量の基準値と前記計測値との間
に、通常の許容誤差範囲以上の偏差がある場合のみ、発
電システム内の各設備あるいは各装置の作動不良が発生
したと判断する。これにより、燃料電池への原料供給に
関する通常の制御操作と、発電システムにおける異常作
動とを的確に判別することができる。

【００１８】請求項２記載の発明によれば、請求項１記
載の発明の作用をもたらす具体的な仕組みを得ることが
できる。すなわち、算出手段が、燃料電池発電システム
内で得られた所定の計測値を用いて、所定の計算式に基
づき、前記燃料電池からの発電量として適切とされる基
準値を算出する。次に、判別手段が、算出された前記基
準値と、前記直流電流として実際に計測された計測値と
を比較し、これらの値の差が許容可能な誤差の範囲を越
えているか否かを判別する。そして、前記の差が許容可
能な誤差の範囲を越えている場合、発電システム内に異
常が発生したと判断され、報知手段が発電システム内の
異常を報知する。

【００１９】請求項３記載の発明によれば、燃料電池本
体からの発電量の基準値は、前記燃料電池本体からの出
力電圧の計測値と、直交変換器からの交流電力の出力量
の計測値とに基づいて算出される。

【００２０】この場合、前記燃料電池本体からの発電量
の基準値をより正確に算出するためには、前記出力電圧
の計測値および前記交流電力の計測値の他に、燃料電池
本体から出力される直流電力を交流電力に変える際の変
換効率を考慮する必要がある。そこで、請求項４記載の
発明によれば、この変換効率の推定値を適切に設定する
仕組みを得ることができる。すなわち、燃料電池発電シ
ステム内で使用される直交変換器における電流の変換効
率の推定値を、交流電力の計測値、直流電流の計測値、
交流電力の出力量として指定された値、直流電力の出力
量として指定された値のいずれかの関数として、あらか
じめ設定しておく。

【００２１】このように、直交変換器の変換効率を、発
電システム内で指定あるいは計測された直流あるいは交
流電力の出力量と関連づけることにより、より具体的
で、指標として高い信頼性を有する前記発電量の基準値
を算出することができる。

【００２２】

【実施例】

１．本実施例の構成 以下、本発明を適用した一実施例について、図面を用い
て説明する。図１に、本実施例の全体構成を示す。な
お、同図において、前述の図３において説明したものと
同様の部位については、説明を省略する。

【００２３】図１において、本実施例では、図３で説明
した従来の燃料電池発電システムに加え、異常判別回路
１２を新たに設置する。この異常判別回路１２は、図１
に示すように、算出手段１２１と判別手段１２２、およ
び報知手段１２３とから成り立っており、直流電流用の
電流センサＤＣＩ９、直流電流用の電圧センサＤＣＶ１
０、交流電力用の電流センサＡＣＰ１１および、燃料供
給弁３、空気供給弁５、直交変換器７とにそれぞれ接続
されている。一方、図２に示すように、前記直交変換器
７における電流の変換効率の推定値１２ｂは、交流電力
の計測値１１ａの関数Ｆ（１１ａ）として予め設定され
ている。

【００２４】２．本実施例の作用および効果 上記のような構成を有する本実施例の燃料電池発電シス
テムにおいては、電流センサＤＣＩ９によって燃料電池
本体１よりの直流電流計測値９ａが常時計測されてい
る。また、電圧センサＤＣＶ１０によって燃料電池本体
１よりの出力電圧計測値１０ａが、電流センサＡＣＰ１
１によって交流電力計測値１１ａが、それぞれ常時計測
されている。

【００２５】前記異常判別回路１２の算出手段１２１で
は、出力電圧計測値１０ａと交流電力計測値１１ａ、お
よび前記直交変換器における電流の変換効率の推定値１
２ｂとを用いて、以下に示す計算式により、燃料電池本
体１からの発電量の基準値１２ａを、その都度算出す
る。

【００２６】

【数１】 次に、前記判別手段１２２では、以下に示す計算式によ
り、算出された前記発電量の基準値１２ａを、直流電流
の計測値９ａから引いた差の絶対値を求めて、この絶対
値を常時監視する。

【００２７】

【数２】 ここで、前記絶対値が規定の誤差範囲を越えた場合、報
知手段１２３が、システム停止命令１２ｃを出力する。
すなわち、燃料供給弁３と空気供給弁５を閉じて、直交
変換器７を停止する等、発電システムを停止するための
操作を行う。

【００２８】以上のように、本実施例では、燃料電池本
体１からの発電量の計測値が基準値から大きく隔たった
異常値を示す場合には、これを発電システムの異常作動
と判断し、発電システムを即時停止させる。これによ
り、燃料電池本体１へ供給される燃料および空気の流量
に関する制御操作の誤りを回避することができ、その結
果、燃料電池本体１の機能劣化や、寿命の低下を防ぐこ
とができる。

【００２９】３．他の実施例 なお、本発明は本実施例に限られるものでなく、適宜態
様を変えて適用することが可能である。例えば、本実施
例においては、変換効率の推定値１２ｂを、交流電力計
測値１１ａの関数としたが、これを直流電流の計測値９
ａや交流電力の出力量として指定された値、または直流
電流の出力量として指定された値の関数として表すこと
もできる。

【００３０】また、本実施例において前記発電量の異常
が検知された場合、システム停止命令を出力してシステ
ムを停止させる代わりに、警報用のベルを鳴らしたり、
ランプを点灯させることによって、異常を報知するよう
な仕組みにしても良い。あるいは、これらの警報を出力
すると同時に、発電システムを停止して、異常を報知す
る仕組みにすることも可能である。

【００３１】

【発明の効果】上記のように、本発明によれば、燃料電
池からの発電量の計測値が異常である場合には、これを
システム内の作動不良状態であると適切に判断できる。
これにより、燃料電池本体への燃料および空気の供給量
を必要以上に減量あるいは増量することがなくなるの
で、燃料電池本体の消耗を防ぎ、燃料電池の電圧性能や
寿命の低下を防止することができる。この結果、信頼性
の高い燃料電池発電システム制御方法および制御装置を
提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例における燃料電池発電システム
の構成を表す図。

【図２】本発明の実施例における交流電力の計測値１１
ａと直交変換器における効率推定値１２ｂとの相関関係
を表す図。

【図３】従来の燃料電池発電システムの構成を表す図。

【符号の説明】

１…燃料電池本体 ２…供給ライン（燃料用） ３…供給弁（燃料用） ４…供給ライン（空気用） ５…供給弁（空気用） ６…供給ライン（直流電流用） ７…直交変換器 ８…供給ライン（交流電力用） ９…電流センサＤＣＩ（直流電流用） ９ａ…直流電流計測値 １０…電圧センサＤＣＶ １０ａ…電圧計測値 １１…電流センサＡＣＰ（交流電力用） １１ａ…交流電力計測値 １２…異常判別回路 １２１…算出手段 １２ａ…発電量基準値（計算値） １２２…判別手段 １２ｂ…直交変換の効率推定値 １２３…報知手段 １２ｃ…システム停止命令

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 燃料電池より出力された直流電力を計測
   し、この直流電力の計測値に応じて、前記燃料電池へ供
   給される所定の原料の流量を制御する一方で、前記燃料
   電池より出力された電圧と、前記直流電力を直交変換器
   により変換して出力された交流電力とを計測し、これら
   の計測値に基づいて、発電システム全体の動作状況を監
   視する燃料発電システム制御方法において、 前記燃料電池が生成する電力量として適切な量を基準値
   として設定し、前記基準値と前記直流電力の計測値との
   差の大きさに基づいて、発電システムにおける異常作動
   の発生を判別することを特徴とする燃料電池発電システ
   ム制御方法。
2. 【請求項２】 燃料電池より出力された直流電流を計測
   する第１のセンサと、前記燃料電池より出力された電圧
   を計測する第２のセンサと、直流電力を交流電力に変換
   する直交変換器と、前記交流電力を計測する第３のセン
   サとを備えた燃料電池発電システム制御装置において、 前記燃料電池が生成する直流電流として適切な量を基準
   値として算出する算出手段と、 前記基準値と、前記第１のセンサにより計測された直流
   電流の計測値との差の絶対値が規定の範囲を越えている
   か否かにより、発電システムの異常を判別する判別手段
   と、 前記の差が規定範囲を越えている場合、発電システムの
   異常を報知する報知手段とを備えたことを特徴とする燃
   料電池発電システム制御装置。
3. 【請求項３】 前記算出手段が、前記第２のセンサによ
   り計測された電圧の計測値と、前記第３のセンサにより
   計測された交流電力の計測値と、前記直交変換器におけ
   る変換効率の推定値とから、前記燃料電池が生成する直
   流電流の基準値を算出することを特徴とする請求項２記
   載の燃料電池発電システム制御装置。
4. 【請求項４】 前記直交変換器における変換効率の推定
   値が、交流電力の計測値、直流電流の計測値、交流電力
   の出力量として指定された値、直流電力の出力量として
   指定された値のうちの、いずれか１つの値の関数である
   ことを特徴とする請求項３記載の燃料電池発電システム
   制御装置。