JPS6180314A

JPS6180314A - 燃料電池用電力変換装置

Info

Publication number: JPS6180314A
Application number: JP59201339A
Authority: JP
Inventors: Michio Kobayashi; 道夫小林; Teruo Makabe; 真壁　輝男; Takashi Amamiya; 隆雨宮; Masatoshi Tokuno; 徳野　正敏; Shuichi Yoshida; 修一吉田
Original assignee: NIPPON NENRYO GIJUTSU KAIHATSU KK; Toshiba Corp; Tokyo Electric Power Co Inc
Current assignee: NIPPON NENRYO GIJUTSU KAIHATSU KK; Toshiba Corp; Tokyo Electric Power Co Holdings Inc
Priority date: 1984-09-26
Filing date: 1984-09-26
Publication date: 1986-04-23
Anticipated expiration: 2009-06-15
Also published as: JPH0646369B2

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】［発明の技術分野］本発明は燃料電池において、特に燃料電池スタックから
の直流出力を交流に変換して出力する燃料電池用電力変
換装置の改良に関する。

［発明の技佑的背景とその問題点コ近年、電力需要の増加を賄うために、水力発電所、火力
発電所および原子力発電所の建設に加えて、燃料の有し
ているエネルギーを直接電気的エネルギーに変換する燃
料電池を用いた発電所建設の構想が進められてきている
。この燃料電池は通常、電解質層を挟んで燃料極および
酸化剤極（以下、空気極と称する）の一対の電極を配置
して成る電池セルを複数個積層して燃料電池スタックを
構成し、燃料極の背面に水素等の燃料を接触させると共
に空気極の背面に空気等の酸化剤を接触させ、このとき
起こる電気化学的反応を利用して上記一対の電極間から
電気エネルギーを取り出すもので、上記燃料と酸化剤が
供給されている限り高い変換効率で電気エネルギーを取
出すことができるものである。そして実際の燃料電池発
電所は、上述した燃料電池スタックと、天然ガスあるい
は石炭ガスなどを水素主成分の電池用燃料に改質する燃
料改質装置と、燃料電池スタックからの直流出力を交流
に変換して外部の交流系統へ供給する電力変換装置を主
要な構成要素とし、この他に制御１１装置、水処理装置
、排熱回収装置等を備えて構成される。

さて、この種の燃料電池発電所における主要構成要素の
うち電力変換装置の主体は直交変換回路（以下、インバ
ータ回路と称する）であるが、発電開始時の電池出力立
上り特性とインバータ回路の起動特性との整合をとるた
めに、初期投入抵抗（以下、プリロードと称する）を備
えるようにしているのが一般的である。

第４図は、この種の従来の燃料電池用電力変換装置の一
例を示す構成図である。図において、燃料電池スタック
１にはその燃料極に燃料２がまた空気極に空気３が夫々
供給され、電気化学的反応により直流出力が得られる。

また、この燃料電池スタック１の出力側４には保全用抵
抗器５およびこれを入切する。スイッチ６が直列に接続
され、かつこの直列回路と並列にプリロード７およびこ
の開閉を行なうプリロード用しゃ断器８の直列回路が主
回路用の直流しゃ断器９を直列に介して接続されている
。さらに、上記燃料電池スタック１の出力側４にはイン
バータ回路１０の入力側が接続され、ここで上記直流出
力を交流に変換してこの交流出力を出力用変圧器１１お
よび交流しゃ断器１２を介して外部の交流系統１３へ供
給される。

なお、ここで直流しゃ断器９は通常、ダイオードあるい
はサイリスタなどの電力変換素子を用いて構成され、主
回路の開閉機能ならびに逆導通阻止機能を持たせるよう
にしている。

かかる燃料電池用電力変換装置におけるインバータ回路
１０の起動は次のようにして行なわれる。

すなわち、当初直流しゃ断器９およびプリロード用しゃ
断器８は共に開状態にあり、燃料電池スタック１の出力
側は開放ないしは保全用抵抗器５で終端されている。ま
た燃料電池スタック１には、その燃料極に予め必要な一
定量の燃料２が供給されている。そして、この状態で空
気３の供給を開始すると燃料電池スタック１の直流出力
電圧がＶ　ｓｔｋが上昇し始め、これがある電圧値Ｖｐ
を越えるとプリロード用しゃ断器８が閉となりプリロー
ド７が投入される。このプリロード７の投入により一旦
低下した電圧’Ｊ　ｓｔｋは、空気３の供給流量の増加
と共に再び上昇し、空気３供給流量が十分大きくなった
時点で直流しゃ断器９が閉となりインバータ回路１０が
接続される。この時、略同時にプリロード用しゃ断器８
が開となりプリロード７は開放される。そして、このイ
ンバータ回路１０の投入と略同時に交流しゃ断器１２が
投入され、燃料電池スタック１の直流出力は交流に変換
されて交流系統１３に供給されることになる。第５図（
ａ）（ｂ）（ｃ）は、上述の如き空気３供給流量の上昇
に伴う燃料電池スタック１の直流出力電圧Ｖ　ｓｔｋと
直流出力電流１　ｓｔｋの時間的変化の関係を示したも
のである。

ところで、このような燃料電池用電力変換装置において
、プリロード７は通常インバータ回路１０起動直１）ｆ
ｌの短い期間投入されるが、その抵抗容量としてはイン
バータ回路１０の運転電圧範囲内で電池の最小定格運転
特性を満たす必要があることから、インバータ全容量の
２０％〜３０％を必要とする場合もあり、プリロード７
の人容量化に伴って装置が大形化するだけでなくロスｌ
−的にも問題がある。また、プリロード７の投入期間を
できる限り短くするためには、燃料電池スタック１に対
し空気３を急速に流入させて直流出力電圧を急勾配で立
上げるようにすればよいが、この場合には空気３流吊制
御および電池極間差圧制御が非常に複雑になるという問
題が生じる。

［発明の目的］本発明は上記のような問題を解決するために成されたも
ので、その目的は装置を大形とすることなくかつ空気流
量制御および電池極間差圧制御を複雑にすることなく安
定したインパーク回路の起動を行なうことが可能な安価
な燃料電池用電力変換装置を提供することにある。

［発明の概要］上記目的を達成するために本発明では、前述したプリロ
ードを用いずに、インバータ回路の出力側に接続される
交流系統またはこれとは別系統の所内電源から直流出力
を得てこれを上記インバータ回路の入力側へその駆動用
補助電源として供給する小容量の補助電源回路を備える
ようにしたことを特徴とする。

［発明の実施例コ以下、本発明を図面に示す一実施例について説明する。

第１図は、本発明による燃料電池用電力変換装置の構成
例を示したもので、第４図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の
み述べる。つまり第１図は、前）ボしたプリロード７お
よびプリロード用しゃ断器８を省略し、これに代えて前
記インバータ回路１０の出力側に接続される交流系統１
３とは別系統の所内電源１４から直流出力を得、かつこ
れを上記インバータ回路１０の入力側へその駆動用補助
電源として供給する小容量の補助電源回路１８を備える
ようにしたものである。ここで−〇− 補助電源回路１８は、しゃ断器１５、変圧器１Ｇを介し
て導入される所内電［１４の出力を整流回路１７で整流
して直流出力を得るように構成している。またこの補助
電源回路１８の出力容量は、インバータ回路１０を単独
で駆動するための最小容量（具体的にはインバータ回路
１０の無負荷運転時損失分）とすればよい。さらに、回
路構成によってはしゃ断器１５および変圧器１６を省略
することができる。

かかる如く構成した燃料電池用電力変換装置において、
インバータ回路１０の起動は次のようにして行なわれる
。すなわち、燃料電池スタック１の直流出力電圧の立上
り当初は直流しゃ断器９が開状態にあり、燃料電池スタ
ック１の出力側４は開放ないしくよ保全用抵抗器５で終
端されている。

また燃料電池スタック１には、その燃料極に予め必要な
一定量の燃料２が供給されている。一方、補助電源回路
１８のしゃ断器１５は投入され、所内電８！１４から電
力の供給を受けて整流回路１７により、出力電圧Ｖｒを
中心値として脈動波形を持つ直流に変換され、これによ
りインバータ回路１０が駆動されている。この場合、交
流しゃ断器１２が投入状態でインバータ回路１０の出力
側は交流系統１３に接続されているが、インバータ回路
１０は無負荷運転状態にあり交流系統１３には電力が供
給されない。

つぎに、以上の状態において空気３の供給を開始すると
、燃料電池スタック１の直流出力電圧Ｖ　ｓｔｋが上昇
し始める。そして、この直流出力電圧Ｖ　Ｓｔｋが整流
回路１７出力電圧値Ｖｒのレベルに達する以前に直流し
ゃ断器９の投入が行われるが、Ｖｓｔｋ＜Ｖｒであれば
この直流しゃ断器９の逆導通阻止機能により、補助電源
回路１８から燃Ｆ３Ｉ電池スタック１側に電流が流入す
るようなことはない。つぎに、さらに燃料電池スタック
１の直流出力電圧Ｖ　ｓｔｋが上昇して整流回路１７出
力電圧値Ｖｒと略同じレベルに達すると、直流出力電圧
Ｖｓｔｋが整流回路１７出力脈動電圧値を瞬時的に越え
るため、直流しゃ断器９は正方向に導通して燃料電池ス
タック１の出力電流ｆ　Ｓｔｋがインバータ回路１０に
与えられる。そして、この電池側出力で分担した電流分
だけ補助電源回路１８側からの出力電流は低下する。ま
た整流回路１７出力は、脈動電圧波形であること、電池
出力側電圧は電流を取ると瞬時的に低下することから、
燃料電池スタック１側からインバータ回路１０に与えら
れる電流波形は連続パルス状になる。この後、燃料電池
スタック１への空気３供給流量が十分に立上った状態で
は、直流出力電圧Ｖ　ｓｔｋは連続して整流回路１７出
力電圧値Ｖｒよりも大きい値となるので、インバータ回
路１０入力端子の全ては燃料電池スタック１側から供給
されることになる。

なおこの時点で、補助電源回路１８のしゃ断器１５を開
放するようにしてもよい。第５図（ａ）（ｄ）（ｅ）は
、上述の如き空気３供給流量の上昇に伴う燃料電池スタ
ック１の直流出力電圧Ｖ　ｓｔｋと直流出力電流Ｉ　Ｓ
ｔｋの時間的変化の関係を示したものである。第５図（
ｅ）によれば、直流出力電流ｌ５ｔｋは平均値的には緩
やかに上昇していくことが明かであり、第５図（Ｃ）に
示したようなプリロードを用いた場合に生じる電流値の
急変化がなくなる。

上述したように本実施例の燃料電池用電力変換装置にお
いては、従来必要であった大容量のプリロードを使用せ
ず、小容量の補助電源回路１８をインバータ回路１０の
駆動用補助電源つまり無負荷起動用に用いるようにした
ので、装置が大形化するようなことがなくかつこれに伴
ってコストダウンを図ることができる。また従来のプリ
ロードを用いた装置では、プリロードの投入時間を短く
保つために燃料電池スタック１への空気３の供給流量を
急激に立上げる必要があったが、本構成のものではこの
必要がないことから空気３供給流量制ｉｌｌおよび電池
極間差圧制御を容易に行なうことができ制御論理上極め
て有効的である。また本装置構成によれば、プリロード
投入時の電池出力電流の急変も生じることがなく平均値
的にゆっくりと出力電流Ｔｓｔｋが立上るので、プロセ
ス排気流量および圧力が急変することなく制御上有効的
である。

尚、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、次
のようにしても同様に実施することができるものである
。

（ａ）第２図に示すように、前記インバータ回路１０の
入力側にチョッパ回路１９を直列に設けて、インバータ
回路１０の直流入力電圧を制御するようにしてもよいも
のである。この場合、補助電源回路１８の直流出力はチ
ョッパ回路１９の入力側に与えるようにする。

（ｂ）第３図に示すように、複数の燃料電池スタック１
と、複数のインバータ回路１０とを有するようなものに
おいて、起動が必要なインバータ回路１０を切換スイッ
チ２０により順次駆動させるための補助電源回路２１を
備えるような構成としてもよいものである。

（Ｃ）上記においては、補助電源回路１８または２１の
電源入力を所内電源１４から得るようにしたが、前記イ
ンバータ回路１０の出力側に接続される交流系統１３か
ら得るようにしてもよいものである。

（ｄ）補助電源回路は、２次電池電源で代用するように
してもよいものである。

（ｅ）補助電源回路整流回路１７としては、単なる整流
回路でなく補助電源回路出力の電圧あるいは電力レベル
を制御可能な、例えばサイリスタなどの制御整流回路を
適用することもできる。

（ｆ）回路要素としては、主回路の開閉機能ならびに逆
導通阻止機能を有する直流しゃ断器９を用いたが、これ
に限らず主回路の開閉機能機能を有する直流し中断器、
および逆導通阻止機能を有し回路に直列に挿入された回
路素子から構成するようにしてもよいものである。

（ｑ）上記において、保全用抵抗器５は省略することも
可能である。

（ｈ）上記においてインバータ回路１０は無負荷起動と
したが、小負荷を送電状態にして燃料電池スタック１の
発電を開始するようにしてもよい。

その他、本発明はその要旨を変更しない範囲で種々に変
形して実施することができるものである。

［発明の効果］以上説明したように本発明によれば、インバータ回路の
出力側に接続される交流系統またはこれとは別系統の所
内電源から直流出力を得てこれを上記インバータ回路の
入力側へその駆動用補助電源として供給する小容量の補
助電源回路を備えるようにしたので、装置を大形とする
ことなくかつ空気流量制御および電池極間差圧制御を複
雑にすることなく安定したインバータ回路の起動を行な
うことが可能な安価な燃料電池用電力変換装置が提供で
きる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す構成図、第２図および
第３図は本発明の伯の実施例を示す構成図、第４図は従
来の燃料電池用電力変換装置を示す構成図、第５図（ａ
）〜（ｅ）は空気供給流量の上昇に伴う電池直流出力電
圧直流出力電流の時間的変化の関係を示す図である。１・・・燃料電池スタック、２・・・燃料、３・・・空
気、４・・・燃料電池スタック出力側、５・・・保全用
抵抗器、６・・・保全用抵抗器用スイッチ、７・・・プ
リロード、８・・・プリロード用しゃ断器、９・・・直
流しゃ断器、１０・・・インバータ回路、１１・・・出
力用変圧器、１２・・・交流しゃ断器、１３・・・交流
系統、１４・・・所内電源、１５・・・しゃ断器、１６
・・・変圧器、１７・・・整流回路、１８．２１・・・
補助電源回路、１９・・・チョッパ回路、２０・・・切
換スイッチ。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）電解質層を挟んで燃料極および酸化剤極の一対の
電極を配置して成る電池セルを複数個積層して成り、か
つ前記燃料極に燃料を接触させると共に酸化剤極に酸化
剤を接触させてこのとき起こる電気化学的反応を利用し
て前記電極間から直流出力を取り出す燃料電池スタック
からの直流出力を交流に変換する直交変換回路と、主回
路の開閉機能ならびに逆導通阻止機能を有しかつ前記燃
料電池スタックと直交変換回路との間に設けられた回路
要素と、前記直交変換回路の出力側に接続される交流系
統またはこれとは別系統の所内電源から直流出力を得て
これを前記直交変換回路の入力側へその駆動用補助電源
として供給する補助電源回路とを具備して成ることを特
徴とする燃料電池用電力変換装置。
（２）回路要素としては、主回路の開閉機能ならびに逆
導通阻止機能を有する直流しや断器を用いるようにした
ことを特徴とする特許請求の範囲第（１）項記載の燃料
電池用電力変換装置。
（３）回路要素としては、主回路の開閉機能を有する直
流しや断器、および逆導通阻止機能を有し回路に直列に
挿入された回路素子から構成するようにしたことを特徴
とする特許請求の範囲第（１）項記載の燃料電池用電力
変換装置。
（４）直交変換回路の入力側にチョッパ回路を直列に設
けるようにしたことを特徴とする特許請求の範囲第（１
）項記載の燃料電池用電力変換装置。
（５）電解質層を挟んで燃料極および酸化剤極の一対の
電極を配置して成る電池セルを複数個積層して成り、か
つ前記燃料極に燃料を接触させると共に酸化剤極に酸化
剤を接触させてこのとき起こる電気化学的反応を利用し
て前記電極間から直流出力を取り出す複数の燃料電池ス
タックからの直流出力を交流に変換する複数の直交変換
回路と、主回路の開閉機能ならびに逆導通阻止機能を有
しかつ前記燃料電池スタックと直交変換回路との間に設
けられた複数の回路要素と、前記各直交変換回路の出力
側に接続される交流系統またはこれとは別系統の所内電
源から直流出力を得てこれを起動が必要な前記直交変換
回路の入力側へその駆動用補助電源として供給する少な
くとも１つの補助電源回路とを具備して成ることを特徴
とする燃料電池用電力変換装置。
（６）回路要素としては、主回路の開閉機能ならびに逆
導通阻止機能を有する直流しや断器を用いるようにした
ことを特徴とする特許請求の範囲第（５）項記載の燃料
電池用電力変換装置。
（７）回路要素としては、主回路の開閉機能を有する直
流しや断器、および逆導通阻止機能を有し回路に直列に
挿入された回路素子から構成するようにしたことを特徴
とする特許請求の範囲第（５）項記載の燃料電池用電力
変換装置。
（８）直交変換回路の入力側にチョッパ回路を直列に設
けるようにしたことを特徴とする特許請求の範囲第（５
）項記載の燃料電池用電力変換装置。