JPH07142079A - 燃料電池発電システムの運転方法、および、これを用いた燃料電池用インバータ装置、燃料電池発電システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 本発明は、燃料電池本体の性能劣化した場合
には、出力電力を制限することによって、燃料電池出力
電流の増加を防止し、性能劣化による制御・保護設定の
保守を不要とした燃料電池発電システムを提供すること
を目的とする。 【構成】 燃料電池２の初期特性に基づいて、直流出力
の電流許容値Ａｓおよび／または電圧許容値ＶＳを予め
設定しておく。運転中、電流検出機６、電圧検出機７の
検出値が、許容値Ａｓ，Ｖｓを越えた場合には、抑制演
算器１６，１８は、交流出力の抑制量を求める。偏差演
算器１１は、外部から指定された出力設定値Ｐｓを、該
抑制量分だけ抑制する。直交変換装置制御機１２は、直
交変換装置３の交流出力が該抑制後の出力設定値になる
ように、制御を行う。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、設備費、運転コストの
低減を図った燃料電池発電システムおよびその運転方法
に関する。

【０００２】

【従来の技術】燃料ガスと酸化ガスとの電気化学反応を
用いて発電を行う燃料電池は、その電気エネルギーへの
変換効率の高さ、クリーンさに注目されて、開発が進め
られている。

【０００３】代表的な燃料電池発電システムと制御方法
を、図５用いて説明する。

【０００４】燃料電池発電システムは、都市ガス等の燃
料ガスの流量を制御する燃料ガス調節弁４と、この燃料
ガス調節弁４に配管接続された燃料改質装置１と、空気
等の酸化ガスの流量を制御する酸化ガス調節弁５と、燃
料改質装置１および酸化ガス調節弁５に配管接続された
燃料電池本体２と、燃料電池本体２の直流出力端に接続
された直交変換装置３と、後述する制御機構と、により
構成される。

【０００５】外部から供給される燃料ガスは、燃料改質
装置１において、水蒸気改質法等を用いて水素濃度の高
い改質燃料に改質された後、燃料電池本体２の燃料極２
Ａに供給される。一方、外部から供給される酸化ガスは
燃料電池本体２の空気極２Ｂに供給される。

【０００６】燃料電池本体２では、このようにして供給
されてくる、所定量の改質燃料と、所定量の酸化ガスと
を、電気化学的に反応させて、直流電力を発生させる。
この直流電力は、直交変換装置３によって、所定の交流
電力に変換された後、負荷に供給される。

【０００７】次に該燃料電池の運転制御について説明す
る。

【０００８】制御は基本的には、交流出力を直交変換装
置３で制御しつつ、これに見合う直流電力を燃料電池本
体２が発電するのに必要な燃料ガスと酸化ガスの供給流
量を調整することによって行われている。

【０００９】最初に交流出力の制御について説明する。

【００１０】交流電力変換器１０は、交流電圧検出器８
の出力信号と、交流電流検出器９の出力信号とに基づい
て、その時点で負荷に対して実際に出力されている電力
の値を求め、これを偏差演算器１１０に出力する。偏差
演算器１１０は、直交変換装置３の出力設定値Ｐｓと、
交流電力変換器１０が求めた実際の交流電力出力値との
偏差を演算し、その結果（偏差）を直交変換装置出力制
御器１２に出力する。直交変換装置出力制御器１２は、
この偏差の信号に基づいて所定の演算を行い、直交変換
装置３の交流出力の位相と電圧を制御する。

【００１１】次に、燃料電池本体２への酸化ガスおよび
燃料ガスの供給流量の制御について説明する。

【００１２】燃料電池が連続発電するのに必要な燃料ガ
ス流量、酸化ガス流量は、燃料電池の直流出力電流に比
例する。そのため、燃料電池本体２への燃料ガスおよび
酸化ガスの供給流量制御は、燃料電池の直流電流値に基
づいて行われている。つまり、直流出力電流検出器６
は、燃料電池２の発生している直流電流の大きさを検出
し、燃料ガス流量制御演算器１３および酸化ガス流量制
御演算器１４に出力する。燃料ガス流量制御演算器１３
は、該入力値（電流値）に応じて燃料ガス調節弁４の開
度を調整することによって、燃料改質装置１への燃料流
量を制御する。酸化ガス流量制御演算器１４も同様に、
該入力値（電流値）に応じて、酸化ガス調節弁５の開度
を調整し、燃料電池本体２への酸化ガス供給流量を制御
する。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】燃料電池の実用上の大
きな問題として、触媒シンタリング・電解質飛散等によ
って生じる性能劣化がある。図６の電流−電圧特性曲線
からもわかるとおり、一定電流を取り出している時の電
圧は、このような性能劣化の進行にともなって低下して
ゆく。これは、電圧降下分だけ、燃料電池の出力電力が
低下することを意味する。

【００１４】従来の燃料電池発電システムでは、このよ
うな性能劣化が生じた場合でも一定出力電力を維持しよ
うとしていた。つまり、燃料電池本体が劣化して直流出
力電圧が低下すると、燃料ガスと酸化ガスの供給量を増
加し、直流出力電流を増加させることによって、発電出
力を確保していた。

【００１５】しかし、このように劣化状態でも一定の出
力を確保できるようにするためには、電気設備の制御・
保護の条件設定を、劣化の進行に合わせて適宜保守する
必要があり、運転コストの上昇の原因となっていた。ま
た、燃料電池本体の性能劣化分を見込んだ分だけ、設備
機器仕様を予め大型・大容量化しなければならず、燃料
電池発電システムの設備コストが上昇するなどの問題が
あった。

【００１６】本発明は、運転コスト、設備コストを抑え
た燃料電池発電システムの運転方法およびこれを用いた
燃料電池用インバータ装置、燃料電池発電システムを提
供することを目的とする。

【００１７】

【課題を解決するための手段】本発明は上記目的を達成
するためになされたもので、その第１の態様としては、
燃料電池の発生する直流出力を交流出力に変換する燃料
電池用インバータ装置において、上記燃料電池の発生す
る直流出力を交流出力に変換する機能を備え、外部から
の出力要求を受け付けて（以下、該要求された出力値
を”出力設定値”という）、該出力設定値に見合った交
流出力を出力するインバータ手段と、上記燃料電池の直
流出力の状態を検出する出力状態検出手段と（以下、該
検出された出力状態を”検出出力状態”という）、上記
燃料電池の発生する直流出力についての、予め定められ
た出力状態の範囲（以下”出力許容範囲”という）を備
え、該出力許容範囲と上記検出出力状態を比較し、該比
較の結果、上記検出出力状態が上記出力許容範囲外にあ
った場合には、上記燃料電池の上記直流出力が上記出力
許容範囲内となるように上記出力設定値を抑制する抑制
手段と、を備え、上記インバータ手段は、上記抑制手段
によって抑制された出力設定値（以下、”抑制出力設定
値”という）に見合った交流出力を出力するものである
こと、を特徴とする燃料電池用インバータ装置が提供さ
れる。

【００１８】この場合、上記抑制手段は、抑制制限値を
備え、該抑制制限値を限度として、上記抑制を行うもの
であってもよい。

【００１９】上記出力許容範囲は、上記燃料電池の初期
特性に基づいて決定されるものであることが好ましい。

【００２０】上記出力許容範囲は、上記直流出力の電流
の上限を定めたものであってもよい。

【００２１】上記出力許容範囲は、上記直流出力の電圧
の下限を定めたものであってもよい。

【００２２】上記抑制出力設定値が上記抑制制限値に達
した場合、該事実を報知する報知手段をさらに有するこ
とが好ましい。

【００２３】本発明の第２の態様としては、直流出力を
発生する燃料電池と、上記燃料電池に燃料ガスを供給す
る燃料ガス供給装置と、上記燃料電池に酸化ガスを供給
する酸化ガス供給装置と、外部からの出力要求を受け付
け（以下、該要求された出力値を”出力設定値”とい
う）、上記燃料電池の発生した直流出力を交流出力に変
換することによって、上記出力設定値に見合った交流出
力を外部に出力するインバータ装置と、上記燃料電池の
出力している直流電流を検出する電流検出器（以下、該
検出された電流値を”検出電流値”という）と、予め定
められた電流許容値を備え、該電流許容値と上記検出電
流値とを比較し、該比較の結果、上記検出電流値が上記
電流許容値を越えていた場合には、上記出力設定値を減
らすように抑制する抑制装置と、を備え、上記インバー
タ装置は、上記抑制装置によって抑制された出力設定値
（以下、”抑制出力設定値”という）に見合った交流出
力を外部に出力するものであること、を特徴とする燃料
電池発電システムが提供される。

【００２４】この場合、上記電流許容値は、上記燃料電
池の初期特性に基づいて設定されたものであることが好
ましい。

【００２５】本発明の第３の態様としては、直流出力を
発生する燃料電池と、上記燃料電池に燃料ガスを供給す
る燃料ガス供給装置と、上記燃料電池に酸化ガスを供給
する酸化ガス供給装置と、外部からの出力要求を受け付
け（以下、該要求された出力値を”出力設定値”とい
う）、上記燃料電池の発生した直流出力を交流出力に変
換することによって、上記出力設定値に見合った交流出
力を外部に出力するインバータ装置と、上記燃料電池の
出力している直流電圧を検出する電圧検出器（以下、該
検出された電圧値を”検出電圧値”という）と、予め定
められた電圧許容値を備え、該電圧許容値と上記検出電
圧値とを比較し、該比較の結果、上記検出電圧値が上記
電圧許容値を下回っていた場合には、上記出力設定値を
減らすように抑制する抑制装置と、を備え、上記インバ
ータ装置は、上記抑制装置によって抑制された出力設定
値（以下、”抑制出力設定値”という）に見合った交流
出力を外部に出力するものであること、を特徴とする燃
料電池発電システムが提供される。

【００２６】この場合、上記電圧許容値は、上記燃料電
池の初期特性に基づいて設定されたものであることが好
ましい。

【００２７】上記第２、第３の態様において、上記抑制
装置は、上記抑制の限度を示す抑制制限値を備え、上記
抑制の幅が該抑制制限値を越える場合には、少なくと
も、上記燃料電池による発電を停止させる停止制御器
を、さらに有することが好ましい。

【００２８】本発明の第４の態様としては、燃料電池の
発生する直流出力を、交流出力に変換して外部負荷に出
力する燃料電池発電システムの運転方法において、上記
燃料電池の直流出力電流が予め定めた電流許容値を越え
た場合、または、上記燃料電池の直流出力電圧が予め定
めた電圧許容値を下回った場合には、外部負荷に出力す
る交流出力を低下させることを特徴とする燃料電池発電
システムの運転方法が提供される。

【００２９】

【作用】インバータ手段は、外部から指定される出力設
定値に見合った交流出力を出力するように、燃料電池の
発生する直流出力を交流出力に変換している。

【００３０】抑制手段は、出力許容範囲と、検出出力状
態を比較し、該比較の結果、上記検出出力状態が上記出
力許容範囲外にあった場合には、上記燃料電池の上記直
流出力が上記出力許容範囲内となるように上記出力設定
値を抑制する。

【００３１】インバータ手段は、上記抑制手段によって
抑制された出力設定値（抑制出力設定値）に見合った交
流出力を出力する。

【００３２】この場合、該出力許容範囲を、燃料電池の
初期特性に基づいて決定された、電流の上限値、あるい
は、電圧の下限値としておけば、燃料電池が初期性能
（すなわち、当該燃料電池についての最大性能）を越え
た、電流値を要求されることはない。

【００３３】なお、抑制は、抑制制限値を限度として行
うようにしても良い。また、抑制の幅が、上記抑制制限
値を越える場合には、停止制御器が燃料電池による発電
を停止させる。

【００３４】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面を用いて説明す
る。

【００３５】第１の実施例を図１を用いて説明する。

【００３６】本実施例の燃料電池発電システムは、基本
的な構成は、従来技術と同様である。つまり、都市ガス
等の燃料ガスの流量を制御する燃料ガス調節弁４と、こ
の燃料ガス調節弁４に配管接続された燃料改質装置１
と、空気等の酸化ガスの流量を制御する酸化ガス調節弁
５と、燃料改質装置１および酸化ガス調節弁５に配管接
続された燃料電池本体２と、燃料電池本体２の直流出力
端に接続された直交変換装置３と、後述する制御機構
と、により構成されている。そして、外部から供給され
る燃料ガスは、燃料改質装置１において、水蒸気改質法
等を用いて水素濃度の高い改質燃料に改質された後、燃
料電池本体２の燃料極２Ａに供給される。一方、外部か
ら供給される酸化ガスは燃料電池本体２の空気極２Ｂに
供給される。燃料電池本体２では、このようにして供給
されてくる、所定量の改質燃料と、所定量の酸化ガスと
を、電気化学的に反応させて、直流電力を発生させる。
この直流電力は、直交変換装置３によって、所定の交流
電力に変換された後、負荷に供給される。

【００３７】本実施例は、燃料電池の性能が劣化した場
合には、それに応じて交流出力を抑制するように制限す
る点を最大の特徴とするものである。従って、これ以降
においては、該制御を中心に説明することとする。

【００３８】該燃料電池システムにおける直交変換装置
３の制御系は、電流検出器６、電圧検出器７、電圧検出
器８、電流検出器９、交流出力算出器１０１０、偏差演
算器１１、出力制御器１２、電流ベース抑制演算器１
６、電圧ベース抑制演算器１８、加算器１９、から主に
構成されている。

【００３９】燃料電池の性能劣化は、電池電圧の低下と
いう形で表れるほか、一定の出力を出そうとした場合の
電流値の増大という形で表れてくる。そこで、本実施例
は、燃料電池の出力する直流出力の電圧、電流値を監視
することによって、性能劣化を検出している。なお、上
記構成のうち、電流値に基づく、性能劣化の検出は、電
流検出器６、電流ベース抑制演算器１６によって行われ
ている。一方、電圧値に基づく、性能劣化の検出は、電
圧検出器７、電圧ベース抑制演算器１８によって行われ
ている。

【００４０】電流検出器６は、燃料電池の発生している
直流出力の電流値を検出するためのものである。該電流
検出器６の検出結果は、後述する電流ベース抑制演算器
１６、燃料ガス流量制御演算器１３、酸化ガス流量制御
演算器１４に出力されている。

【００４１】電流ベース抑制演算器１６は、電流検出器
６からの入力信号に基づいて、一定周期ごとに、直交変
換装置３の出力の抑制量を求めるものである。本実施例
の電流ベース抑制演算器１６は、偏差演算器１５、比例
・微積分演算器２０、制限器２１とを含んで構成されて
いる。また、直流出力電流の上限値として、予め定めら
れた、電流許容値Ａｓを備えている。本実施例では、該
電流許容値Ａｓを、燃料電池本体２の初期特性に基づい
て定めている。

【００４２】偏差演算器１５は、電流許容値Ａｓと、電
流検出器６の出力信号との偏差を演算するものである。

【００４３】比例・微積分演算器２０は、偏差演算器１
５の算出した偏差信号を入力信号として、ＰＩＤ制御の
ための比例、微分、積分演算を実行し、交流出力の抑制
量の変更幅を算出する機能を備えている。さらに、本実
施例の比例・微積分演算器２０は、その時点での交流出
力の抑制量を記憶する機能を備えている。そして、該抑
制量に、新たに算出した抑制量の変更幅を加算し、その
結果を、その時点での新たな抑制量として記憶する機能
を備えている。

【００４４】なお、ここで言う抑制量とは、例えば、交
流出力を２０％低減せよと言った意味の数値に相当する
ものである。また、抑制量の変更幅とは、この抑制量
を、例えば、１％小さくせよ、といった意味の数値に相
当するである（この例の場合、交流出力の新たな抑制量
は、１９％になる。）制限器２１は、上記比例微積分演
算器２０の求めた抑制量が、正であった場合（すなわ
ち、電流検出器６の検出した直流出力電流が電流許容値
Ａｓ以上であり、交流出力を減らそうとする場合）に
は、該演算結果示す信号を抑制信号として、加算器１９
に出力する。一方、演算結果が、負であった場合（すな
わち、電流検出器６の検出した直流出力電流が電流許容
値Ａｓよりも小さかった場合）には、信号をカットし、
抑制信号は出力しない（あるいは、抑制量０に相当する
抑制信号を出力する。）なお、交流出力の実際の抑制量
は、該電流ベース抑制演算器１６の求めた抑制量のみを
用いるのではなく、後述する加算器１９によって、電圧
ベース抑制演算器１８の求める抑制量も加味した上で、
決定されている。

【００４５】電流ベース抑制演算器１６の具体的構成は
ここで述べたものに限定されるものではない。

【００４６】電圧検出器７は、燃料電池の発生している
直流出力の電圧値を検出するためのものである。該電圧
検出器７の検出結果は、電圧ベース抑制演算器１８に出
力されている。

【００４７】電圧ベース抑制演算器１８は、電圧検出器
７からの入力信号に基づいて、一定周期ごとに、直交変
換装置３の出力の抑制量を求める機能を備えている。本
実施例においては、電圧ベース抑制演算器１８を、偏差
演算器１７、比例・微積分演算器２２、制限器２３とを
含んで構成している。また、直流出力電圧の下限値とし
て、予め定められた、電圧許容値Ｖｓを備えている。本
実施例では、該電圧許容値Ｖｓを、燃料電池本体２の初
期特性に基づいて定めている。

【００４８】偏差演算器１７は、電圧許容値Ｖｓと、電
圧検出器７の出力信号との偏差を演算するものである。

【００４９】比例・微積分演算器２２は、偏差演算器１
７の算出した偏差信号を入力信号として、ＰＩＤ制御の
ための比例、微分、積分演算を実行し、交流出力の抑制
量の変更幅を算出する機能を備えている。さらに、本実
施例の比例・微積分演算器２２は、その時点での交流出
力の抑制量を記憶する機能を備えている。そして、該抑
制量に、新たに算出した抑制量の変更幅を加算し、その
結果を、その時点での新たな抑制量として記憶する機能
を備えている。

【００５０】なお、ここで言う抑制量、抑制量の変更幅
の意味については、電流ベース抑制演算器１６の説明に
おいて述べたとおりである。

【００５１】制限器２３は、上記比例微積分演算器２２
の求めた抑制量が、正であった場合（すなわち、電圧検
出器７の検出した直流出力電圧が、電圧許容値Ｖｓ以下
であり、交流出力を減らそうとする場合）には、該演算
結果を示す信号を抑制信号として、加算器１９に出力す
る。一方、演算結果が、負であった場合（すなわち、電
圧検出器７の検出した直流出力電圧が、電圧許容値Ｖｓ
よりも小さかった場合）には、信号をカットし、抑制信
号は出力しない（あるいは、抑制量０に相当する抑制信
号を出力する。）。

【００５２】なお、電圧ベース抑制演算器１８の具体的
構成はここで述べたものに限定されるものではない。

【００５３】加算器１９は、上述した抑制演算器１６に
起因する抑制量、抑制演算器１８に起因する抑制量と
を、を加算して、出力設定値Ｐｓの最終的な抑制量とし
て、逐次、偏差演算器１１に出力している。

【００５４】電圧検出器８は、直交変換装置３から出力
される交流電圧を検出するものである。一方、電流検出
器９は、直交変換装置３から出力される交流電流を検出
するためのものである。

【００５５】交流出力算出器１０は、電圧検出器８の出
力信号と、電流検出器９の出力信号とに基づいて、その
時点で負荷に対して実際に出力されている電力の値を求
めるものである。

【００５６】偏差演算器１１は、外部から指定される出
力設定値Ｐｓと、交流出力算出器１０が求めた実際の交
流電力出力値と、加算器１９からの入力値に基づいて、
出力制御器１２への制御指令の内容を決定するものであ
る。具体的には、該偏差演算器１１は、出力設定値Ｐｓ
から、加算器１９の出力値を差し引く（該演算の結果
が、燃料電池の劣化を加味して抑制された、あらたな出
力設定値Ｐｓ’となる。）。次に、該抑制された新たな
出力設定値Ｐｓ’から、交流出力算出器１０の求めた実
際の交流出力値を差し引いて、その結果（すなわち、出
力設定値Ｐｓ’からのずれ）に対応した信号を、制御指
令として出力制御器１２に出力している。なお、該偏差
演算器１１は、該動作を、逐次繰り返しており、制御指
令の内容は、その度に更新されている。

【００５７】出力制御器１２は、偏差演算器１１からの
指令に従って、直交変換装置３の交流出力の位相と電圧
を制御するものである。

【００５８】次に、燃料電池本体２の制御系について説
明する該制御系は、電流検出器６、燃料ガス流量制御演
算器１３、燃料ガス調節弁４、酸化ガス流量制御演算器
１４、酸化ガス調節弁５によって主に構成されている。

【００５９】これらによってなされる該燃料電池本体２
への燃料ガス供給流量、酸化ガス供給流量の制御は、基
本的には従来技術と同様である。つまり、電流検出器６
の検出結果に従って、燃料ガス流量制御演算器１３が燃
料ガス調節弁４を、また、酸化ガス流量制御演算器１４
が酸化ガス調節弁５を、制御することによって行われて
いる。例えば、電流値が増大した場合には、これに応じ
て、燃料ガス調節弁４、酸化ガス調節弁５を開く。

【００６０】但し、本実施例においては、直流出力電
圧、直流出力電圧が予め定められた範囲内に収まるよう
に交流出力電力を抑制するように制御しているため、定
格出力を得ようとして、燃料ガス、酸化ガスの流量が、
（上記電流許容値Ａｓに対応した）許容量を越えて増や
されることはない。

【００６１】以上のような構成により、燃料電池２の電
流が電流許容値Ａｓを越えないように、かつ、電圧が許
容値Ｖｓを下回らないように、直交変換装置３からの交
流出力が抑制される。

【００６２】本実施例では、直流出力電流と、直流出力
電圧との両方を検出して制御を行っているため、直流出
力電流が上記電流許容値Ａｓを越え、かつ、直流出力電
圧が上記電圧許容値Ｖｓを下回っている場合には、抑制
演算器１８の信号に基づく抑制と、抑制演算器１６の系
統の信号に基づく抑制とが、２重に作用することにな
る。しかし、このような状態が生じても特に問題はな
い。

【００６３】なお、燃料電池の性能劣化の検出は、必ず
しも、直流出力電流と直流出力電圧との両方を用いて行
う必要は無い。どちらか一方だけを用いるようにしても
構わない。

【００６４】なお、特許請求の範囲において言う”イン
バータ手段”とは、本実施例においては、直交変換器
３、出力制御器２に相当するものである。”出力状態検
出手段”とは、電流検出器６、電圧検出器７に相当する
ものである。”抑制手段”とは、電流ベース抑制演算器
１６、電圧ベース抑制演算器１８、加算器１９、偏差演
算器１１等に相当するものである。”出力許容範囲”と
は、本実施例における電流許容値Ａｓ、電圧許容値Ｖｓ
に相当するものである。

【００６５】第２の実施例を図２を用いて説明する。

【００６６】上記第１の実施例は、燃料電池の劣化に対
応して、交流出力電力を抑制するものであった。しか
し、交流出力電力の抑制量があまりに大きくなったので
は、発電システムとしての用をなさなくなる可能性もあ
る。そこで、本実施例は、交流出力電力をあまりに抑制
しすぎないようにした点を特徴とするものである。

【００６７】そのため、本実施例では、上記第１の実施
例の構成に加えて、乗算器２４、低値選択器２５を備え
ることによって、これを実現している。

【００６８】乗算器２４は、その時設定されている出力
設定値Ｐｓに対して、交流出力の抑制をどの程度まで許
すか、という抑制量の上限値を決定するものである
（注：特許請求の範囲において言う”抑制制限値”と
は、本実施例においては、該抑制量の上限値に相当する
ものである）。本実施例では、出力設定値Ｐｓに、予め
定められた数値をかけることによって該上限を決定して
いるが、具体的方法はこれに限定されるものではない。

【００６９】低値選択器２５は、乗算器２４の出力信号
（すなわち、抑制量の上限）と、加算器１９の出力信号
とを比較して、小さい方を選択し、その選択した信号
を、偏差演算器１１へ出力するものである。

【００７０】偏差演算器１１は、出力設定値Ｐｓから、
低値選択器２５からの入力信号を差し引く（該演算の結
果が、燃料電池の劣化、および、発電システムとしての
存在意義を加味して抑制された、新たな出力設定値Ｐ
ｓ’となる。）。続いて、該出力設定値Ｐｓ’から、交
流出力算出器１０の求めた実際の交流出力値を差し引い
て、その結果を、出力制御器１２へ出力する。

【００７１】これにより、直交変換装置３の交流出力
が、上記抑制量の上限を越えて、下げられることはなく
なる。但し、この場合には、直流出力電流値は、上記許
容値Ａｓを越えることになるため、近い将来には、燃料
電池の運転を停止することが必要である。言い替えれ
ば、本実施例は、緊急的な措置としての対応を認めたも
のである。

【００７２】このような緊急的な場面を想定する必要が
ないのであれば、抑制量が上限に達した時点で、自動的
に燃料電池の運転を停止するようにしても良い。これ
は、例えば、図３に示すとおり、低値選択器２５に代わ
って、抑制量監視手段２５０、報知器２５２等を設ける
ことによって容易に可能である。抑制監視手段２５０
は、加算器１９の出力する抑制量と、乗算器２４の出力
する抑制量の上限値とを、比較している。その結果、加
算器１９の出力する抑制量が上限値を越えていなけれ
ば、当該抑制量を、そのまま偏差演算器１１に出力す
る。一方、上限値を越えている場合には、ブザー、ラン
プ等を含んで構成された報知器２５２を用いて該発電シ
ステムの運転者にその旨を知らせる。さらに、該抑制監
視手段２５０は、燃料電池本体２による発電を停止させ
る。該停止等は、この図には示していない信号経路を使
って、例えば、燃料ガス調節弁４を閉じること等によっ
て行われる。なお、特許請求の範囲において言う”停止
制御器”とは、本実施例においては、該抑制監視手段２
５０に相当するものである。

【００７３】さらには、単に停止するのではなく、予め
準備した別の燃料電池に自動的に切り替えて運転を継続
するようにすることも容易に可能である。なお、燃料電
池の性能劣化は、徐々に進むから、該切り替えの時期は
ある程度予測できるため、切り替え用の燃料電池を当初
から準備しておく必要はない。従って、燃料電池を自動
的に切り替えるような構成を取っても初期コストの上昇
につながることはない。

【００７４】本実施例では、交流出力が下がりすぎるの
を、抑制量の上限を設けることによって防いでいるが、
出力設定値Ｐｓ’の下限を設けるようにしても実質的に
同様の制御を行うことができる。これは、例えば、上記
第１の実施例の構成に、交流出力の下限値を算出する乗
算器と、該下限値と偏差演算器１１の出力する出力設定
値Ｐｓ’とを比較し、大きい方を直交変換装置出力制御
器１２へ出力する高値選択器とを追加することによって
実現可能である。

【００７５】なお、出力設定値Ｐｓの抑制量、該抑制量
の上限値を、上記実施例のごとく、出力設定値Ｐｓに対
する比率で規定するのではなく、より直接的に、具体的
な電力値で規定するようにしても構わない。また、燃料
電池の切り替えの自動化を目的としている場合には、上
記抑制量の上限値は、出力設定値Ｐｓに基づいて決定す
るのではなく、予め定めた一定値としても良い。

【００７６】第３の実施例を図４を用いて説明する。

【００７７】本実施例は、電流ベース抑制演算器１６、
電圧ベース抑制演算器１８の具体的構成が、実施例１と
は異なる例である。

【００７８】本実施例の電流ベース抑制演算器１６は、
偏差演算器１５、パルス発生器２６、記憶器２７を含ん
で構成されている。

【００７９】偏差演算器１５は、電流許容値Ａｓと、電
流検出器６の出力信号の偏差を求めるものである。

【００８０】パルス発生器２６は、上記偏差を用いて交
流出力の抑制量の変更幅を決定する所定の制御演算を行
なう機能を備えている。そして、該演算結果を３値式の
増減パルスとして出力するように構成されている。な
お、抑制量の変更の向き（抑制量の増大あるいは減少）
は、パルスの向きとして、また、該変更の”幅”は、パ
ルスの幅、あるいは、パルスの数として表現される。

【００８１】記憶器２７は、その時点での交流出力の抑
制量を記憶するためのものである。パルス発生器２６か
ら出力されてきた抑制量の変更幅は、その時点で該記憶
器２７に記憶されている抑制量に加算されて、交流出力
の新たな抑制量として記憶される（注：該記憶機能は、
上記第１の実施例においては、比例・微積分演算器２０
が備えていた）。そして、該抑制量を、加算器１９に対
して出力する構成となっている。さらに、該記憶器２７
は、上記実施例における制限器２１に相当する機能をも
備えており、該抑制量が、負の場合には、加算器１９へ
の出力は行われない（あるいは、該記憶している抑制量
が負の場合には、抑制量０の信号を送る。）電圧ベース
抑制演算器１８は、偏差演算器１７、パルス発生器２
８、記憶器２９を含んで構成されている。

【００８２】偏差演算器１７は、電圧許容値Ｖｓと、電
圧検出器７の出力信号の偏差を求めるものである。

【００８３】パルス発生器２８は、上記偏差を用いて交
流出力の抑制量の変更幅を決定する所定の制御演算を行
なう機能を備えている。そして、該演算結果を３値式の
増減パルスとして出力するように構成されている。な
お、抑制量の変更の向き（抑制量の増大あるいは減少）
は、パルスの向きとして、また、該変更の”幅”は、パ
ルスの幅、あるいは、パルスの数として表現される。

【００８４】記憶器２９は、その時点での交流出力の抑
制量を記憶するためのものである。パルス発生器２８か
ら出力されてきた抑制量の変更幅は、その時点で該記憶
器２９に記憶されている抑制量に加算されて、交流出力
の新たな抑制量として記憶される（注：該記憶機能は、
上記第１の実施例においては、比例・微積分演算器２２
が備えていた）。そして、該新たな抑制量を、加算器１
９に対して出力する構成となっている。なお、該記憶器
２９は、上記実施例における制限器２３に相当する機能
をも備えており、該抑制量が、負の場合には、加算器１
９への出力は行われない（あるいは、該記憶している抑
制量が負の場合には、抑制量０の信号を送る。）該実施
例においても、基本的には上記第１の実施例と同様に、
燃料電池２の性能劣化に併せて、交流出力を抑制するよ
うな制御が行われる。

【００８５】以上説明した各実施例によれば、燃料電池
が劣化したような場合に、交流出力電力を一定に保つよ
うに燃料ガス等の供給量を増大させるのではなく、燃料
電池の能力に見合った値にまで、交流出力の設定値を抑
制する。従って、性能劣化分を加味して燃料電池本体２
等を、予め大型のものを採用する必要がなく、設備費を
抑えることができる。また、常に一定の交流出力を得る
ためには、劣化状態に合わせて、保守、運転条件を適宜
変更してゆかなければならない。しかし、上記実施例で
は、このようなことは必要ないため、保守、運転のコス
トが低減される。 なお、燃料電池の発生する熱をも利
用するシステムとしておけば、燃料電池が劣化した場合
でも、発電システム全体としてのエネルギー効率が下が
ることはない。

【００８６】

【発明の効果】本発明によれば、燃料電池の性能劣化分
を見込んで、予め、大型、大容量の設備機器を採用して
おく必要がない。従って、初期コストが低減できる。ま
た、電気設備の制御・保護設定を適宜保守する必要が無
いため、運転コストもやすく、勝、安定した運転ができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例を示すブロック図であ
る。

【図２】本発明の第２の実施例を示すブロック図であ
る。

【図３】本発明の第２の実施例の変形例を示すブロック
図である。

【図４】本発明の第３の実施例を示すブロック図であ
る。

【図５】従来の燃料電池発電システムを示すブロック図
である。

【図６】燃料電池の出力電圧−出力電流特性曲線図であ
る。

【符号の説明】

１……燃料改質装置、２……燃料電池本体、２Ａ……燃
料極、２Ｂ……空気極、３……直交変換装置、４……燃
料ガス調節弁、５……酸化ガス調節弁、６……電流検出
器、７……電圧検出器、８……電圧検出器、９……電流
検出器、１０……交流出力算出器、１１、１５、１７…
…偏差演算器、１２……出力制御器、１３……燃料ガス
流量制御演算器、１４……酸化ガス流量制御演算器、１
６……電流ベース抑制演算器、１８……電圧ベース抑制
演算器、１９……加算器、２０、２２……比例・微積分
演算器、２１、２３……制限器、２４……乗算器、２５
……抑制制御器、２６、２８……パルス発生器、２７、
２９……記憶器、２５０……抑制監視手段、２５２……
報知器、Ａｓ……電流許容値、Ｖｓ……電圧許容値

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 佐藤 隆雄 茨城県日立市大みか町七丁目１番１号 株 式会社日立製作所日立研究所内

Claims (12)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】燃料電池の発生する直流出力を交流出力に
   変換する燃料電池用インバータ装置において、 上記燃料電池の発生する直流出力を交流出力に変換する
   機能を備え、外部からの出力要求を受け付けて（以下、
   該要求された出力値を”出力設定値”という）、該出力
   設定値に見合った交流出力を出力するインバータ手段
   と、 上記燃料電池の直流出力の状態を検出する出力状態検出
   手段と（以下、該検出された出力状態を”検出出力状
   態”という）、 上記燃料電池の発生する直流出力についての、予め定め
   られた出力状態の範囲（以下”出力許容範囲”という）
   を備え、該出力許容範囲と上記検出出力状態を比較し、
   該比較の結果、上記検出出力状態が上記出力許容範囲外
   にあった場合には、上記燃料電池の上記直流出力が上記
   出力許容範囲内となるように上記出力設定値を抑制する
   抑制手段と、を備え、 上記インバータ手段は、上記抑制手段によって抑制され
   た出力設定値（以下、”抑制出力設定値”という）に見
   合った交流出力を出力するものであること、 を特徴とする燃料電池用インバータ装置。
2. 【請求項２】上記抑制手段は、抑制制限値を備え、該抑
   制制限値を限度として、上記抑制を行うものであるこ
   と、 を特徴とする請求項１記載の燃料電池用インバータ装
   置。
3. 【請求項３】上記出力許容範囲は、上記燃料電池の初期
   特性に基づいて決定されるものであること、 を特徴とする請求項１記載の燃料電池用インバータ装
   置。
4. 【請求項４】上記出力許容範囲は、上記直流出力の電流
   の上限を定めたものであること、 を特徴とする請求項１記載の燃料電池用インバータ装
   置。
5. 【請求項５】上記出力許容範囲は、上記直流出力の電圧
   の下限を定めたものであること、 を特徴とする請求項１記載の燃料電池用インバータ装
   置。
6. 【請求項６】上記抑制出力設定値が上記抑制制限値に達
   した場合、該事実を報知する報知手段をさらに有するこ
   と、 を特徴とする請求項２記載の燃料電池用インバータ装
   置。
7. 【請求項７】直流出力を発生する燃料電池と、 上記燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置
   と、 上記燃料電池に酸化ガスを供給する酸化ガス供給装置
   と、 外部からの出力要求を受け付け（以下、該要求された出
   力値を”出力設定値”という）、上記燃料電池の発生し
   た直流出力を交流出力に変換することによって、上記出
   力設定値に見合った交流出力を外部に出力するインバー
   タ装置と、 上記燃料電池の出力している直流電流を検出する電流検
   出器（以下、該検出された電流値を”検出電流値”とい
   う）と、 予め定められた電流許容値を備え、該電流許容値と上記
   検出電流値とを比較し、該比較の結果、上記検出電流値
   が上記電流許容値を越えていた場合には、上記出力設定
   値を減らすように抑制する抑制装置と、を備え、 上記インバータ装置は、上記抑制装置によって抑制され
   た出力設定値（以下、”抑制出力設定値”という）に見
   合った交流出力を外部に出力するものであること、 を特徴とする燃料電池発電システム。
8. 【請求項８】上記電流許容値は、上記燃料電池の初期特
   性に基づいて設定されたものであること、 を特徴とする請求項７記載の燃料電池発電システム。
9. 【請求項９】直流出力を発生する燃料電池と、 上記燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置
   と、 上記燃料電池に酸化ガスを供給する酸化ガス供給装置
   と、 外部からの出力要求を受け付け（以下、該要求された出
   力値を”出力設定値”という）、上記燃料電池の発生し
   た直流出力を交流出力に変換することによって、上記出
   力設定値に見合った交流出力を外部に出力するインバー
   タ装置と、 上記燃料電池の出力している直流電圧を検出する電圧検
   出器（以下、該検出された電圧値を”検出電圧値”とい
   う）と、 予め定められた電圧許容値を備え、該電圧許容値と上記
   検出電圧値とを比較し、該比較の結果、上記検出電圧値
   が上記電圧許容値を下回っていた場合には、上記出力設
   定値を減らすように抑制する抑制装置と、を備え、 上記インバータ装置は、上記抑制装置によって抑制され
   た出力設定値（以下、”抑制出力設定値”という）に見
   合った交流出力を外部に出力するものであること、 を特徴とする燃料電池発電システム。
10. 【請求項１０】上記電圧許容値は、上記燃料電池の初期
    特性に基づいて設定されたものであること、 を特徴とする請求項９記載の燃料電池発電システム。
11. 【請求項１１】上記抑制装置は、上記抑制の限度を示す
    抑制制限値を備え、上記抑制の幅が該抑制制限値以上に
    なる場合には、少なくとも、上記燃料電池による発電を
    停止させる停止制御器を、さらに有すること、 を特徴とする請求項７または９記載の燃料電池発電シス
    テム。
12. 【請求項１２】燃料電池の発生する直流出力を、交流出
    力に変換して外部負荷に出力する燃料電池発電システム
    の運転方法において、 上記燃料電池の直流出力電流が予め定めた電流許容値を
    越えた場合、または、上記燃料電池の直流出力電圧が予
    め定めた電圧許容値を下回った場合には、外部負荷に出
    力する交流出力を低下させること、 を特徴とする燃料電池発電システムの運転方法。