JP2004265671A - 燃料電池の運転制御方法および装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】負荷変動により設定値が変動し、燃料電池の出力電流が変動する。
【解決手段】燃料電池１の電池電圧Ｅｆを検出し、その低下時に、燃料電池１の電力指令値Ｐｆｃを電流換算した電流指令値を低下させる。電流制限器８は、Ｅｆの低下時に電流指令値を制限値とし、かつ制限値をＥｆの低下に応じて低下させる。具体的な電流指令値の制限方法としては、電圧低下警報レベル（第１の閾値）で電池電流ＩＦＣが低下を始め、電圧低下保護レベル（第２の閾値）で電池電流が零となるように、電流指令値を制限する。
【選択図】 図１
【解決手段】燃料電池１の電池電圧Ｅｆを検出し、その低下時に、燃料電池１の電力指令値Ｐｆｃを電流換算した電流指令値を低下させる。電流制限器８は、Ｅｆの低下時に電流指令値を制限値とし、かつ制限値をＥｆの低下に応じて低下させる。具体的な電流指令値の制限方法としては、電圧低下警報レベル（第１の閾値）で電池電流ＩＦＣが低下を始め、電圧低下保護レベル（第２の閾値）で電池電流が零となるように、電流指令値を制限する。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は燃料電池の運転制御装置に関し、特に燃料電池の劣化を防止するに適した電力変換装置の運転制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の燃料電池は、反応ガス供給設備や燃料電池本体が異常でなくても、本体特性が経年変化で低下した場合や急速な負荷変化を実施した場合に、燃料電池本体の直流出力が低下し、過渡的に設定値を以下となる場合があった。
【０００３】
このため、特許文献１の発明では、燃料電池の電圧が低下した場合に、逆変換装置の運転によって負荷設定値を電圧低下量に見合って低下させ、燃料電池本体の保護を図っている。
【０００４】
【特許文献１】
特開２０００−２１４２９号公報（段落００１４−００１７、図１）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記した従来技術では、負荷設定値を電圧低下量にあわせて低下させている。このため、負荷変動によって負荷設定値が変動すると、燃料電池から出力される電流も変動してしまう。また、負荷設定値を単に電圧低下量にあわせて低下させているため、燃料電池の電圧低下保護停止レベルの直前でも負荷をとっている場合は、燃料電池を劣化させてしまう恐れがある。
【０００６】
本発明の目的は、上記した従来技術の問題点を克服し、燃料電池の電圧が低下した場合に、負荷の変動に影響されず燃料電池の電流を低下するに好適な燃料電池の運転制御装置を提供することにある。
【０００７】
また、燃料電池の電圧低下保護停止レベルの近傍で、燃料電池の出力をほぼ０に制御する燃料電池の運転制御装置を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するための本発明は、燃料電池と交流系統を電力変換器を介して接続すると共に、その接続系統から負荷に負荷電力を供給し、前記負荷電力に追従して前記燃料電池の電力指令値を前記電力変換器に出力する燃料電池の運転制御方法において、前記燃料電池の電池電圧を検出し、前記電池電圧の低下に応じて前記電力指令値の制限値を低下させ、前記電池電圧が第１の閾値まで低下したときに前記電力指令値を前記制限値とすることを特徴とする。
【０００９】
また、前記電池電圧が第１の閾値まで低下したときに燃料電流の出力電流が低下し始め、前記電池電圧が第２の閾値まで低下したときに前記電力指令値を０とすることを特徴とする。ここで、前記第１の閾値は電圧低下警報レベル、前記第２の閾値は前記第１の閾値より更に低く、前記電力変換器を停止する電圧低下保護レベルである。
【００１０】
本発明の他の形態では、負荷電力に追従して前記燃料電池の電力指令値を前記電力変換器に出力する電力指令制御手段（電力指令演算器４）を有する燃料電池の運転制御装置において、前記電力変換器に燃料電池の直流出力電圧を所定値に制御する第１の変換器（ＤＣ−ＤＣコンバータ２）と、前記第１の変換器と前記交流系統を結ぶ第２の変換器（インバータ３）を設け、前記電力指令制御手段からの前記電力指令値を前記第１の変換器に出力する場合に、前記燃料電池の電池電圧を検出し、前記電池電圧の低下に応じて前記電力指令値の制限値を低下させる制限手段（電流制限器８）を設け、前記電池電圧が第１の閾値まで低下したときに前記電力指令値を前記制限値とすることを特徴とする。前記制限手段は、前記電池電圧が第２の閾値まで低下したときに前記電力指令値を０とする。
【００１１】
さらに、前記制限手段は前記燃料電池の出力電流を検出し、この出力電流と前記電力指令値を差分し、この差分が０となるようにデューティ指令値を調整し、前記デューティ指令値を三角波と比較して前記電力変換器のゲートパルスとする。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例１について図１から図７を用いて説明する。図１は、実施例１による燃料電池の運転制御装置のシステム構成を示すブロック図である。ここでは、直流電力を単相の交流電力に、または単相の交流電力を直流電力に変換する機能を持つ電圧型電力変換器の単線結線図を示している。
【００１３】
図１において、燃料電池（ＦＣ）１は直流電圧を変換するＤＣ／ＤＣコンバータ２に接続されている。ＤＣ／ＤＣコンバータ２は、直流電力を交流電力に変換する変換器（インバータ）３の直流側コンデンサＣ２に接続され、変換器３の交流出力端は高調波除去用の交流フィルタを構成するリアクトルＬに接続されている。リアクトルＬは交流フィルタを構成するコンデンサＣ１および遮断投入手段ＢＲに接続され、遮断投入手段ＢＲは電力系統４に接続される。また、遮断投入手段ＢＲと電力系統４の間には、例えば家電製品、電灯、工作機械などの負荷５が接続される。
【００１４】
燃料電池１は配管ＰＰ１に接続され、配管ＰＰ１は燃料調整用バルブＶＶに接続される。燃料調整用バルブＶＶは配管ＰＰ２を通して配管ＰＰ１に流れ込む燃料の流量を調整する。燃料電池１は、例えば都市ガスを改質して水素リッチな燃料に変換し、燃料電池１を構成する電池セルで水素リッチなガスと空気の化学反応から直流の電圧を発生する。発生した直流電圧の出力端子はＤＣ／ＤＣコンバータ２に接続する。
【００１５】
電力指令演算器６は、負荷４の入力に設置された電流検出器ＣＴ１の検出値ＩＬと、電力系統４１の電圧を検出するための電圧検出手段ＰＴの検出値ＶＬを入力する。そして、電力指令演算器１は、燃料調整用バルブＶＶの開度信号ＳＶを燃料調整用バルブＶＶに出力し、また、ＤＣ／ＤＣコンバータ２が出力する電力指令値Ｐｆｃを演算する。
【００１６】
電力指令値Ｐｆｃは電流換算器９に入力され、電力から電流に換算するゲインを乗じて、燃料電池出力電流設定値ＩＲＥＦ１を電流制限器８に出力する。電流制限器８は、燃料電池出力電流設定値ＩＲＥＦ１と、電圧検出器ＳＮＳ２により検出された燃料電池電圧Ｅｆとを入力し、燃料電池電流出力指令値ＩＲＥＦ２を電流調整器７に出力する。
【００１７】
電流調整器７は、電流検出器ＣＴ３で検出した燃料電池電流検出値ＩＦＣが電池電流出力指令値ＩＲＥＦ２に一致するように、ＤＣ／ＤＣコンバータ２を駆動するためのゲートパルスＧＰ２を制御する。
【００１８】
変換器３は、直流電圧制御器１０の駆動により変換器３の直流側の電圧Ｅｃを制御する。リアクトルＬを流れる電流Ｉｓｙｓを電流検出器ＣＴ２により検出し、変換器３の直流側に設置されたコンデンサＣ２の電圧Ｅｃを電圧検出器ＳＮＳ１により検出し、電圧検出値ＶＬと共に直流電圧制御器１０に入力する。直流電圧制御器６は変換器３を駆動させるためのゲート信号ＧＰ１を変換器３に出力する。
【００１９】
図２は直流電圧制御器の構成を示している。直流電圧制御器１０は電圧調整器１３、位相検出器１２及び連系電流調整器１４からなる。電圧調整器１３は、例えば比例・積分器で構成され、直流電圧指令値Ｅｒｅｆと検出した直流電圧Ｅｃが一致するように変換器３の出力する電流指令値Ｉｓｙｓ＊を演算し、前記電流指令値Ｉｓｙｓ＊を連系電流調整器１４に出力する。位相検出器１２は、電圧検出値ＶＬの位相に追従した振幅“１”の位相信号Ａｓｉｎと、系統電圧の振幅値Ｖｒｍｓを演算して連系電流調整器１４に出力する。連系電流調整器１４には、電流指令値Ｉｓｙｓ＊、位相信号Ａｓｉｎ、振幅値Ｖｒｍｓと共に電流検出器ＣＴ２による電流Ｉｓｙｓが入力される。
【００２０】
図３は連系電流調整器の詳細な構成を示す。連系電流調整器１４では、電流指令Ｉｓｙｓ＊と位相信号Ａｓｉｎが乗算器Ｐｒ１に入力され、乗算器Ｐｒ１はこれら入力値を乗算し、振幅Ｉｓｙｓ＊で正弦波状の電流指令値Ｉａ＊を出力する。位相信号Ａｓｉｎが系統電圧のａ相に追従した正弦波に調整されているため、電流指令Ｉａ＊はａ相の力率１の電流指令値となる。
【００２１】
電流指令Ｉａ＊は乗算器Ｐｒ２と減算器ｄｅｆａに入力され、乗算器Ｐｒ２は入力値であるＩａ＊に“−１”を乗じてｂ相の電流指令値Ｉｂ＊を出力する。減算器ｄｅｆａは電流指令値Ｉａ＊と電流検出値のａ相電流Ｉｓｙｓａを入力して差分ｄＩａを演算し、電流調整器１５ａに出力する。同様に、減算器ｄｅｆｂは電流指令値Ｉｂ＊と電流検出値のｂ相電流Ｉｓｙｓｂを入力して差分ｄＩｂを演算し、電流調整器１５ｂに出力する。
【００２２】
電圧振幅値Ｖｒｍｓは、変換器３が接続されている系統４の電圧ＶＬの平均値で、これを指令値として乗算器Ｐｒ３に出力する。乗算器Ｐｒ３は、電圧振幅検出値Ｖｒｍｓと位相信号Ａｓｉｎを乗算し、振幅Ｖｒｍｓで正弦波状の電圧フィードフォワード指令値Ｖａ＊を出力する。位相信号Ａｓｉｎが系統電圧のａ相に追従した正弦波に調整されていると、電圧フィードフォワード指令Ｖａ＊はａ相の電圧指令値とほぼ一致する。電圧フィードフォワード指令Ｖａ＊は乗算器Ｐｒ４と加算器Ａｄａに入力され、乗算器Ｐｒ４は入力値であるＶａ＊に“−１”を乗じてｂ相の電圧フィードフォワード指令値Ｖｂ＊を加算器Ａｄｂに出力する。
【００２３】
電流調整器１５ａ、１５ｂは入力された差分を零とするようにそれぞれの出力値ＶｉａおよびＶｉｂを調整する。電流調整器１５ａ、１５ｂの各出力値は、加算器Ａｄａと加算器Ａｄｂにそれぞれ入力され、加算器Ａｄａは電圧フィードフォワード指令値Ｖａ＊と出力値Ｖｉａを加算した結果Ｖａｏ＊をＰＷＭ演算器１６に出力する。また、加算器Ａｄｂは電圧フィードフォワード指令値Ｖｂ＊と出力値Ｖｉｂを加算した結果Ｖｂｏ＊をＰＷＭ演算器１６に出力する。
【００２４】
ＰＷＭ演算器１６は入力されたＶａｏ＊およびＶｂｏ＊を、三角波と比較して単相インバータを動作させるゲートパルスＧＰ１を変換器３のゲート回路に出力する。
【００２５】
図４はＤＣ／ＤＣコンバータを駆動する電流調整器の構成を示している。電流調整器７は、電流指令ＩＲＥＦ２と電流検出値ＩＦＣを減算器ｄｅｆ４に入力し、減算器ｄｅｆ４は電流指令値ＩＲＥＦ２と電流検出値ＩＦＣの差分を演算し、電流調整器１７に出力する。電流調整器１７は入力された差分を零とするように、それぞれの出力デューティ指令値Ｄｂ＊を調整し、パルス演算器１８に出力値Ｄｂ＊を出力する。ちなみに、電流調整器１７はＰＩ調節器であり、出力値Ｄｂ＊はレベルの変化として現れる。パルス演算器１８は、入力された値Ｄｂ＊を三角波と比較して、ＤＣ／ＤＣコンバータ２を動作させるゲートパルスＧＰ２をＤＣ／ＤＣコンバータ２のゲート回路に出力する。
【００２６】
図５は電力指令演算器の構成を示している。電力指令演算器４は、電圧検出値ＶＬと電流検出値ＩＬを入力し、電力演算器１９により負荷電力を演算し、負荷電力に追従した電力指令値Ｐｆｃを演算する。また、電力指令値Ｐｆｃから電流換算器２０により所定のゲインを乗じて、燃料調整用バルブＶＶを動作させる制御信号ＳＶを出力する。
【００２７】
図６は電流制限器の構成図、図７は電流制限器の動作説明図である。電流制限器８は電池電圧Ｅｆを入力して制限値ＩＬＩＭを出力する制限値演算器２１と、電流指令値ＩＲＥＦ１と制限値ＩＬＩＭを入力して電池電流指令値ＩＲＥＦ２を出力する制限器２２からなる。
【００２８】
制限値演算器２１は、所定値に制御されている燃料電池電圧Ｅｆが低下したときに、電流制限値ＩＬＩＭをＥｆの関数ＩＬＩＭ（Ｅｆ）として、（１）式に従って低下させ、電流制限値ＩＬＩＭ（Ｅｆ）を制限器２２に出力する。
ＩＬＩＭ（Ｅｆ）＝｛Ｉｍａｘ／（Ｅａｌ−Ｅｐｒ）｝×Ｅｆ−Ｉｍａｘ×Ｅｐｒ／（Ｅａｌ−Ｅｐｒ） …（１）
ただしＥａｌ：電圧低下警報レベル、Ｅｐｒ：電圧低下保護レベル、Ｉｍａｘ：ＤＣ／ＤＣコンバータ２の定格出力電流である。
【００２９】
図７を参照しながら動作を説明する。燃料電池電圧検出値Ｅｆが電圧低下警報レベルＥａｌ以上の正常な状態では、電流制限値ＩＬＩＭはＤＣ／ＤＣコンバータ２の定格出力電流値Ｉｍａｘに設定される。このとき、ＩＬＩＭ≧ＩＲＥＦ１であり、電流指令値は（２）式の関係となる。
ＩＲＥＦ２＝ＩＲＥＦ１ …（２）
例えば、電流指令値ＩＲＥＦ２は電力指令演算器６の指令値Ｐｆｃに従い、零から制限値ＩＬＩＭ（この場合ＩＬＩＭ＝Ｉｍａｘ）の間の値となる。このとき、電流指令値ＩＲＥＦ２に適合した燃料が燃料電池に供給されるようになっており、このときの燃料電池のＩ−Ｖ特性を状態Ａとする。
【００３０】
状態Ａで運転中に、例えば、燃料電池系統に異常が発生した場合、燃料電池のＩ−Ｖ特性は状態Ｂに移り、燃料電池電圧検出値Ｅｆが電圧低下警報レベルＥａｌより低下する。この場合、（１）式に従って電流制限値ＩＬＩＭは低下する。このとき、電流制限器８は電池Ｅｆと電流指令値ＩＲＥＦ１を入力し、電流制限値ＩＬＩＭを求め、（３）式に従ってＩＲＥＦ２を出力する。
ＩＲＥＦ１＞ＩＬＩＭ のとき、 ＩＲＥＦ２＝ＩＬＩＭ …（３）
これにより、燃料電池１の出力電流ＩＦＣは低下を始める。さらに、燃料電池電圧Ｅｆｃが電圧低下保護レベルＥｐｒまで低下（Ｅｆｃ＝Ｅｐｒ）した時は、電流指令値ＩＲＥＦ２は０となり、燃料電池１の出力電流ＩＦＣも０となる。
【００３１】
電圧低下保護レベルＥｐｒは、例えば電池寿命（劣化）を考慮して決める。また、過去数日の運転実績から電池電圧を求めて目標値とし、目標値のマイナス数％という設定方法などでもよい。また、電圧低下警報レベルＥａｌは、警報レベルを保護レベルのプラス数％というように設定すればよい。
【００３２】
本実施例によれば、燃料電池電圧を検出して燃料電池の電流を制御するＤＣ−ＤＣコンバータの電流指令値を制限するため、燃料電池の出力電力指令値の変動に影響されることなく、電池電流を常に制限値通りに制御できる。これにより、燃料電池側で電圧が低下するような異常、例えば燃料不足などが発生した際に、燃料電池の電流を制限して燃料電池の劣化を防止できる。
【００３３】
また、電流指令値の制限方法として、電圧低下保護停止レベルで燃料電池電流が零となるように電流指令値を制限して減少させている。このため、電圧低下保護停止レベルに到達する直前において運転が継続しても、燃料電池電流はほぼ零になるので燃料電池の劣化を防止できる。
【００３４】
次に、本発明の他の実施例について説明する。図８は実施例２による燃料電池の運転制御装置のシステム構成を示すブロック図である。直流電力を単相の交流電力に、または単相の交流電力を直流電力に変換する機能を持つ電圧型電力変換器の単線結線図を示している。図１と同等のものには同符号を付け、説明を省略する。
【００３５】
図８において、燃料電池（ＦＣ）１は直流電力を交流電力に変換する変換器３の直流側コンデンサＣ２に接続される点が実施例１と異なる。電力指令演算器６は、負荷５の入力に設置された電流検出器ＣＴ１の検出値ＩＬと、電力系統４の電圧を検出する電圧検出手段ＰＴの検出値ＶＬを入力する。電力指令演算器６は、燃料調整用バルブＶＶの開度信号ＳＶを前記燃料調整用バルブＶＶに出力し、また、変換器３の出力する電力指令値Ｐｆｃを演算する。
【００３６】
電力指令値Ｐｆｃは電流換算器９に入力され、電力から電流に換算するゲインを乗じて、燃料電池出力電流設定値ＩＲＥＦ１を電流制限器８に出力する。電流制限器８は、燃料電池出力電流設定値ＩＲＥＦ１と、電圧検出器ＳＮＳ２により検出された燃料電池電圧Ｅｆとを入力し、燃料電池電流出力指令値ＩＲＥＦ２を電流調整器に出力する。
【００３７】
図１０は電流調整器２３の構成を示している。電流調整器２３は、電流指令ＩＲＥＦ２と電流検出値ＩＦＣを減算器ｄｅｆ４に入力し、減算器ｄｅｆ４は電流指令値ＩＲＥＦ２と電流検出値ＩＦＣの差分を演算し、電流調整器１７に出力する。電流調整器１７は入力された差分を零とするように、変換器出力電流指令値Ｉｓｙｓ＊を調整し、交流電流制御器２４に出力値Ｉｓｙｓ＊を出力する。ちなみに、電流調整器１７はＰＩ調節器である。
【００３８】
図９は交流電流制御器２４の構成を示している。交流電流制御器２４は図２に示した直流電圧制御器６の電圧調整器１３の代わりに、図１０で示した電流調整器２３を用いている点が異なる。交流電流制御器２４は変換器出力電流指令値Ｉｓｙｓ＊を入力し、変換器３の出力電流ＩｓｙｓがＩｓｙｓ＊に一致するように変換器３を制御するゲート信号ＧＰ１を変換器３に出力する。
【００３９】
実施例２によれば、実施例１の効果に加えて、ＤＣ／ＤＣコンバータが不要となるため、システムを高効率化できる。
【００４０】
【発明の効果】
本発明によれば、燃料電池電圧が電圧低下警報レベルに低下したときに、燃料電池の電流を制御する電力変換器の電流指令値を制限するので、負荷変動による電流指令値の変動に影響されることなく、電池電流を制限値に制御できる。これにより、燃料電池で電圧が低下する異常が発生した際に燃料電池の電流を制限し、燃料電池の劣化を防止できる効果がある。
【００４１】
また、電圧低下保護レベルで燃料電池の電流が零となるように電流指令値を制限するため、電圧低下保護レベルに到達する直前において燃料電池の運転が継続している場合にも、電池電流をほぼ零に制御するため、燃料電池の劣化を防止できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例１による燃料電池運転線制御装置の構成を示すブロック図。
【図２】直流電圧制御器の構成を示すブロック図。
【図３】連系電流調整器の構成を示すブロック図。
【図４】ＤＣ−ＤＣコンバータを駆動する電流調整器の構成を示すブロック図。
【図５】電力指令演算器の構成を示すブロック図。
【図６】一実施例による電流制限器の構成を示すブロック図。
【図７】実施例１による電流制限器の動作を示す説明図。
【図８】本発明の実施例２による燃料電池運転線制御装置の構成を示すブロック図。
【図９】実施例２による交流電流制御器の構成を示すブロック図。
【図１０】実施例２による電流調整器の構成を示すブロック図。
【符号の説明】
１…燃料電池（ＦＣ）、２…ＤＣ／ＤＣコンバータ、３…変換器（インバータ）、４…電力系統、５…負荷、６…電力指令演算器、７…電流調整器、８…電流制限器、９…電流換算器、１０…直流電圧制御器、１１…位相演算器、１７…電流調整器、１８…パルス演算器、１９…受電電力演算器、２０…燃料演算器、２１…制限値演算器、２２…制限器、２３…電流調整器、２４…交流電流制御器。
【発明の属する技術分野】
本発明は燃料電池の運転制御装置に関し、特に燃料電池の劣化を防止するに適した電力変換装置の運転制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の燃料電池は、反応ガス供給設備や燃料電池本体が異常でなくても、本体特性が経年変化で低下した場合や急速な負荷変化を実施した場合に、燃料電池本体の直流出力が低下し、過渡的に設定値を以下となる場合があった。
【０００３】
このため、特許文献１の発明では、燃料電池の電圧が低下した場合に、逆変換装置の運転によって負荷設定値を電圧低下量に見合って低下させ、燃料電池本体の保護を図っている。
【０００４】
【特許文献１】
特開２０００−２１４２９号公報（段落００１４−００１７、図１）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記した従来技術では、負荷設定値を電圧低下量にあわせて低下させている。このため、負荷変動によって負荷設定値が変動すると、燃料電池から出力される電流も変動してしまう。また、負荷設定値を単に電圧低下量にあわせて低下させているため、燃料電池の電圧低下保護停止レベルの直前でも負荷をとっている場合は、燃料電池を劣化させてしまう恐れがある。
【０００６】
本発明の目的は、上記した従来技術の問題点を克服し、燃料電池の電圧が低下した場合に、負荷の変動に影響されず燃料電池の電流を低下するに好適な燃料電池の運転制御装置を提供することにある。
【０００７】
また、燃料電池の電圧低下保護停止レベルの近傍で、燃料電池の出力をほぼ０に制御する燃料電池の運転制御装置を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するための本発明は、燃料電池と交流系統を電力変換器を介して接続すると共に、その接続系統から負荷に負荷電力を供給し、前記負荷電力に追従して前記燃料電池の電力指令値を前記電力変換器に出力する燃料電池の運転制御方法において、前記燃料電池の電池電圧を検出し、前記電池電圧の低下に応じて前記電力指令値の制限値を低下させ、前記電池電圧が第１の閾値まで低下したときに前記電力指令値を前記制限値とすることを特徴とする。
【０００９】
また、前記電池電圧が第１の閾値まで低下したときに燃料電流の出力電流が低下し始め、前記電池電圧が第２の閾値まで低下したときに前記電力指令値を０とすることを特徴とする。ここで、前記第１の閾値は電圧低下警報レベル、前記第２の閾値は前記第１の閾値より更に低く、前記電力変換器を停止する電圧低下保護レベルである。
【００１０】
本発明の他の形態では、負荷電力に追従して前記燃料電池の電力指令値を前記電力変換器に出力する電力指令制御手段（電力指令演算器４）を有する燃料電池の運転制御装置において、前記電力変換器に燃料電池の直流出力電圧を所定値に制御する第１の変換器（ＤＣ−ＤＣコンバータ２）と、前記第１の変換器と前記交流系統を結ぶ第２の変換器（インバータ３）を設け、前記電力指令制御手段からの前記電力指令値を前記第１の変換器に出力する場合に、前記燃料電池の電池電圧を検出し、前記電池電圧の低下に応じて前記電力指令値の制限値を低下させる制限手段（電流制限器８）を設け、前記電池電圧が第１の閾値まで低下したときに前記電力指令値を前記制限値とすることを特徴とする。前記制限手段は、前記電池電圧が第２の閾値まで低下したときに前記電力指令値を０とする。
【００１１】
さらに、前記制限手段は前記燃料電池の出力電流を検出し、この出力電流と前記電力指令値を差分し、この差分が０となるようにデューティ指令値を調整し、前記デューティ指令値を三角波と比較して前記電力変換器のゲートパルスとする。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例１について図１から図７を用いて説明する。図１は、実施例１による燃料電池の運転制御装置のシステム構成を示すブロック図である。ここでは、直流電力を単相の交流電力に、または単相の交流電力を直流電力に変換する機能を持つ電圧型電力変換器の単線結線図を示している。
【００１３】
図１において、燃料電池（ＦＣ）１は直流電圧を変換するＤＣ／ＤＣコンバータ２に接続されている。ＤＣ／ＤＣコンバータ２は、直流電力を交流電力に変換する変換器（インバータ）３の直流側コンデンサＣ２に接続され、変換器３の交流出力端は高調波除去用の交流フィルタを構成するリアクトルＬに接続されている。リアクトルＬは交流フィルタを構成するコンデンサＣ１および遮断投入手段ＢＲに接続され、遮断投入手段ＢＲは電力系統４に接続される。また、遮断投入手段ＢＲと電力系統４の間には、例えば家電製品、電灯、工作機械などの負荷５が接続される。
【００１４】
燃料電池１は配管ＰＰ１に接続され、配管ＰＰ１は燃料調整用バルブＶＶに接続される。燃料調整用バルブＶＶは配管ＰＰ２を通して配管ＰＰ１に流れ込む燃料の流量を調整する。燃料電池１は、例えば都市ガスを改質して水素リッチな燃料に変換し、燃料電池１を構成する電池セルで水素リッチなガスと空気の化学反応から直流の電圧を発生する。発生した直流電圧の出力端子はＤＣ／ＤＣコンバータ２に接続する。
【００１５】
電力指令演算器６は、負荷４の入力に設置された電流検出器ＣＴ１の検出値ＩＬと、電力系統４１の電圧を検出するための電圧検出手段ＰＴの検出値ＶＬを入力する。そして、電力指令演算器１は、燃料調整用バルブＶＶの開度信号ＳＶを燃料調整用バルブＶＶに出力し、また、ＤＣ／ＤＣコンバータ２が出力する電力指令値Ｐｆｃを演算する。
【００１６】
電力指令値Ｐｆｃは電流換算器９に入力され、電力から電流に換算するゲインを乗じて、燃料電池出力電流設定値ＩＲＥＦ１を電流制限器８に出力する。電流制限器８は、燃料電池出力電流設定値ＩＲＥＦ１と、電圧検出器ＳＮＳ２により検出された燃料電池電圧Ｅｆとを入力し、燃料電池電流出力指令値ＩＲＥＦ２を電流調整器７に出力する。
【００１７】
電流調整器７は、電流検出器ＣＴ３で検出した燃料電池電流検出値ＩＦＣが電池電流出力指令値ＩＲＥＦ２に一致するように、ＤＣ／ＤＣコンバータ２を駆動するためのゲートパルスＧＰ２を制御する。
【００１８】
変換器３は、直流電圧制御器１０の駆動により変換器３の直流側の電圧Ｅｃを制御する。リアクトルＬを流れる電流Ｉｓｙｓを電流検出器ＣＴ２により検出し、変換器３の直流側に設置されたコンデンサＣ２の電圧Ｅｃを電圧検出器ＳＮＳ１により検出し、電圧検出値ＶＬと共に直流電圧制御器１０に入力する。直流電圧制御器６は変換器３を駆動させるためのゲート信号ＧＰ１を変換器３に出力する。
【００１９】
図２は直流電圧制御器の構成を示している。直流電圧制御器１０は電圧調整器１３、位相検出器１２及び連系電流調整器１４からなる。電圧調整器１３は、例えば比例・積分器で構成され、直流電圧指令値Ｅｒｅｆと検出した直流電圧Ｅｃが一致するように変換器３の出力する電流指令値Ｉｓｙｓ＊を演算し、前記電流指令値Ｉｓｙｓ＊を連系電流調整器１４に出力する。位相検出器１２は、電圧検出値ＶＬの位相に追従した振幅“１”の位相信号Ａｓｉｎと、系統電圧の振幅値Ｖｒｍｓを演算して連系電流調整器１４に出力する。連系電流調整器１４には、電流指令値Ｉｓｙｓ＊、位相信号Ａｓｉｎ、振幅値Ｖｒｍｓと共に電流検出器ＣＴ２による電流Ｉｓｙｓが入力される。
【００２０】
図３は連系電流調整器の詳細な構成を示す。連系電流調整器１４では、電流指令Ｉｓｙｓ＊と位相信号Ａｓｉｎが乗算器Ｐｒ１に入力され、乗算器Ｐｒ１はこれら入力値を乗算し、振幅Ｉｓｙｓ＊で正弦波状の電流指令値Ｉａ＊を出力する。位相信号Ａｓｉｎが系統電圧のａ相に追従した正弦波に調整されているため、電流指令Ｉａ＊はａ相の力率１の電流指令値となる。
【００２１】
電流指令Ｉａ＊は乗算器Ｐｒ２と減算器ｄｅｆａに入力され、乗算器Ｐｒ２は入力値であるＩａ＊に“−１”を乗じてｂ相の電流指令値Ｉｂ＊を出力する。減算器ｄｅｆａは電流指令値Ｉａ＊と電流検出値のａ相電流Ｉｓｙｓａを入力して差分ｄＩａを演算し、電流調整器１５ａに出力する。同様に、減算器ｄｅｆｂは電流指令値Ｉｂ＊と電流検出値のｂ相電流Ｉｓｙｓｂを入力して差分ｄＩｂを演算し、電流調整器１５ｂに出力する。
【００２２】
電圧振幅値Ｖｒｍｓは、変換器３が接続されている系統４の電圧ＶＬの平均値で、これを指令値として乗算器Ｐｒ３に出力する。乗算器Ｐｒ３は、電圧振幅検出値Ｖｒｍｓと位相信号Ａｓｉｎを乗算し、振幅Ｖｒｍｓで正弦波状の電圧フィードフォワード指令値Ｖａ＊を出力する。位相信号Ａｓｉｎが系統電圧のａ相に追従した正弦波に調整されていると、電圧フィードフォワード指令Ｖａ＊はａ相の電圧指令値とほぼ一致する。電圧フィードフォワード指令Ｖａ＊は乗算器Ｐｒ４と加算器Ａｄａに入力され、乗算器Ｐｒ４は入力値であるＶａ＊に“−１”を乗じてｂ相の電圧フィードフォワード指令値Ｖｂ＊を加算器Ａｄｂに出力する。
【００２３】
電流調整器１５ａ、１５ｂは入力された差分を零とするようにそれぞれの出力値ＶｉａおよびＶｉｂを調整する。電流調整器１５ａ、１５ｂの各出力値は、加算器Ａｄａと加算器Ａｄｂにそれぞれ入力され、加算器Ａｄａは電圧フィードフォワード指令値Ｖａ＊と出力値Ｖｉａを加算した結果Ｖａｏ＊をＰＷＭ演算器１６に出力する。また、加算器Ａｄｂは電圧フィードフォワード指令値Ｖｂ＊と出力値Ｖｉｂを加算した結果Ｖｂｏ＊をＰＷＭ演算器１６に出力する。
【００２４】
ＰＷＭ演算器１６は入力されたＶａｏ＊およびＶｂｏ＊を、三角波と比較して単相インバータを動作させるゲートパルスＧＰ１を変換器３のゲート回路に出力する。
【００２５】
図４はＤＣ／ＤＣコンバータを駆動する電流調整器の構成を示している。電流調整器７は、電流指令ＩＲＥＦ２と電流検出値ＩＦＣを減算器ｄｅｆ４に入力し、減算器ｄｅｆ４は電流指令値ＩＲＥＦ２と電流検出値ＩＦＣの差分を演算し、電流調整器１７に出力する。電流調整器１７は入力された差分を零とするように、それぞれの出力デューティ指令値Ｄｂ＊を調整し、パルス演算器１８に出力値Ｄｂ＊を出力する。ちなみに、電流調整器１７はＰＩ調節器であり、出力値Ｄｂ＊はレベルの変化として現れる。パルス演算器１８は、入力された値Ｄｂ＊を三角波と比較して、ＤＣ／ＤＣコンバータ２を動作させるゲートパルスＧＰ２をＤＣ／ＤＣコンバータ２のゲート回路に出力する。
【００２６】
図５は電力指令演算器の構成を示している。電力指令演算器４は、電圧検出値ＶＬと電流検出値ＩＬを入力し、電力演算器１９により負荷電力を演算し、負荷電力に追従した電力指令値Ｐｆｃを演算する。また、電力指令値Ｐｆｃから電流換算器２０により所定のゲインを乗じて、燃料調整用バルブＶＶを動作させる制御信号ＳＶを出力する。
【００２７】
図６は電流制限器の構成図、図７は電流制限器の動作説明図である。電流制限器８は電池電圧Ｅｆを入力して制限値ＩＬＩＭを出力する制限値演算器２１と、電流指令値ＩＲＥＦ１と制限値ＩＬＩＭを入力して電池電流指令値ＩＲＥＦ２を出力する制限器２２からなる。
【００２８】
制限値演算器２１は、所定値に制御されている燃料電池電圧Ｅｆが低下したときに、電流制限値ＩＬＩＭをＥｆの関数ＩＬＩＭ（Ｅｆ）として、（１）式に従って低下させ、電流制限値ＩＬＩＭ（Ｅｆ）を制限器２２に出力する。
ＩＬＩＭ（Ｅｆ）＝｛Ｉｍａｘ／（Ｅａｌ−Ｅｐｒ）｝×Ｅｆ−Ｉｍａｘ×Ｅｐｒ／（Ｅａｌ−Ｅｐｒ） …（１）
ただしＥａｌ：電圧低下警報レベル、Ｅｐｒ：電圧低下保護レベル、Ｉｍａｘ：ＤＣ／ＤＣコンバータ２の定格出力電流である。
【００２９】
図７を参照しながら動作を説明する。燃料電池電圧検出値Ｅｆが電圧低下警報レベルＥａｌ以上の正常な状態では、電流制限値ＩＬＩＭはＤＣ／ＤＣコンバータ２の定格出力電流値Ｉｍａｘに設定される。このとき、ＩＬＩＭ≧ＩＲＥＦ１であり、電流指令値は（２）式の関係となる。
ＩＲＥＦ２＝ＩＲＥＦ１ …（２）
例えば、電流指令値ＩＲＥＦ２は電力指令演算器６の指令値Ｐｆｃに従い、零から制限値ＩＬＩＭ（この場合ＩＬＩＭ＝Ｉｍａｘ）の間の値となる。このとき、電流指令値ＩＲＥＦ２に適合した燃料が燃料電池に供給されるようになっており、このときの燃料電池のＩ−Ｖ特性を状態Ａとする。
【００３０】
状態Ａで運転中に、例えば、燃料電池系統に異常が発生した場合、燃料電池のＩ−Ｖ特性は状態Ｂに移り、燃料電池電圧検出値Ｅｆが電圧低下警報レベルＥａｌより低下する。この場合、（１）式に従って電流制限値ＩＬＩＭは低下する。このとき、電流制限器８は電池Ｅｆと電流指令値ＩＲＥＦ１を入力し、電流制限値ＩＬＩＭを求め、（３）式に従ってＩＲＥＦ２を出力する。
ＩＲＥＦ１＞ＩＬＩＭ のとき、 ＩＲＥＦ２＝ＩＬＩＭ …（３）
これにより、燃料電池１の出力電流ＩＦＣは低下を始める。さらに、燃料電池電圧Ｅｆｃが電圧低下保護レベルＥｐｒまで低下（Ｅｆｃ＝Ｅｐｒ）した時は、電流指令値ＩＲＥＦ２は０となり、燃料電池１の出力電流ＩＦＣも０となる。
【００３１】
電圧低下保護レベルＥｐｒは、例えば電池寿命（劣化）を考慮して決める。また、過去数日の運転実績から電池電圧を求めて目標値とし、目標値のマイナス数％という設定方法などでもよい。また、電圧低下警報レベルＥａｌは、警報レベルを保護レベルのプラス数％というように設定すればよい。
【００３２】
本実施例によれば、燃料電池電圧を検出して燃料電池の電流を制御するＤＣ−ＤＣコンバータの電流指令値を制限するため、燃料電池の出力電力指令値の変動に影響されることなく、電池電流を常に制限値通りに制御できる。これにより、燃料電池側で電圧が低下するような異常、例えば燃料不足などが発生した際に、燃料電池の電流を制限して燃料電池の劣化を防止できる。
【００３３】
また、電流指令値の制限方法として、電圧低下保護停止レベルで燃料電池電流が零となるように電流指令値を制限して減少させている。このため、電圧低下保護停止レベルに到達する直前において運転が継続しても、燃料電池電流はほぼ零になるので燃料電池の劣化を防止できる。
【００３４】
次に、本発明の他の実施例について説明する。図８は実施例２による燃料電池の運転制御装置のシステム構成を示すブロック図である。直流電力を単相の交流電力に、または単相の交流電力を直流電力に変換する機能を持つ電圧型電力変換器の単線結線図を示している。図１と同等のものには同符号を付け、説明を省略する。
【００３５】
図８において、燃料電池（ＦＣ）１は直流電力を交流電力に変換する変換器３の直流側コンデンサＣ２に接続される点が実施例１と異なる。電力指令演算器６は、負荷５の入力に設置された電流検出器ＣＴ１の検出値ＩＬと、電力系統４の電圧を検出する電圧検出手段ＰＴの検出値ＶＬを入力する。電力指令演算器６は、燃料調整用バルブＶＶの開度信号ＳＶを前記燃料調整用バルブＶＶに出力し、また、変換器３の出力する電力指令値Ｐｆｃを演算する。
【００３６】
電力指令値Ｐｆｃは電流換算器９に入力され、電力から電流に換算するゲインを乗じて、燃料電池出力電流設定値ＩＲＥＦ１を電流制限器８に出力する。電流制限器８は、燃料電池出力電流設定値ＩＲＥＦ１と、電圧検出器ＳＮＳ２により検出された燃料電池電圧Ｅｆとを入力し、燃料電池電流出力指令値ＩＲＥＦ２を電流調整器に出力する。
【００３７】
図１０は電流調整器２３の構成を示している。電流調整器２３は、電流指令ＩＲＥＦ２と電流検出値ＩＦＣを減算器ｄｅｆ４に入力し、減算器ｄｅｆ４は電流指令値ＩＲＥＦ２と電流検出値ＩＦＣの差分を演算し、電流調整器１７に出力する。電流調整器１７は入力された差分を零とするように、変換器出力電流指令値Ｉｓｙｓ＊を調整し、交流電流制御器２４に出力値Ｉｓｙｓ＊を出力する。ちなみに、電流調整器１７はＰＩ調節器である。
【００３８】
図９は交流電流制御器２４の構成を示している。交流電流制御器２４は図２に示した直流電圧制御器６の電圧調整器１３の代わりに、図１０で示した電流調整器２３を用いている点が異なる。交流電流制御器２４は変換器出力電流指令値Ｉｓｙｓ＊を入力し、変換器３の出力電流ＩｓｙｓがＩｓｙｓ＊に一致するように変換器３を制御するゲート信号ＧＰ１を変換器３に出力する。
【００３９】
実施例２によれば、実施例１の効果に加えて、ＤＣ／ＤＣコンバータが不要となるため、システムを高効率化できる。
【００４０】
【発明の効果】
本発明によれば、燃料電池電圧が電圧低下警報レベルに低下したときに、燃料電池の電流を制御する電力変換器の電流指令値を制限するので、負荷変動による電流指令値の変動に影響されることなく、電池電流を制限値に制御できる。これにより、燃料電池で電圧が低下する異常が発生した際に燃料電池の電流を制限し、燃料電池の劣化を防止できる効果がある。
【００４１】
また、電圧低下保護レベルで燃料電池の電流が零となるように電流指令値を制限するため、電圧低下保護レベルに到達する直前において燃料電池の運転が継続している場合にも、電池電流をほぼ零に制御するため、燃料電池の劣化を防止できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例１による燃料電池運転線制御装置の構成を示すブロック図。
【図２】直流電圧制御器の構成を示すブロック図。
【図３】連系電流調整器の構成を示すブロック図。
【図４】ＤＣ−ＤＣコンバータを駆動する電流調整器の構成を示すブロック図。
【図５】電力指令演算器の構成を示すブロック図。
【図６】一実施例による電流制限器の構成を示すブロック図。
【図７】実施例１による電流制限器の動作を示す説明図。
【図８】本発明の実施例２による燃料電池運転線制御装置の構成を示すブロック図。
【図９】実施例２による交流電流制御器の構成を示すブロック図。
【図１０】実施例２による電流調整器の構成を示すブロック図。
【符号の説明】
１…燃料電池（ＦＣ）、２…ＤＣ／ＤＣコンバータ、３…変換器（インバータ）、４…電力系統、５…負荷、６…電力指令演算器、７…電流調整器、８…電流制限器、９…電流換算器、１０…直流電圧制御器、１１…位相演算器、１７…電流調整器、１８…パルス演算器、１９…受電電力演算器、２０…燃料演算器、２１…制限値演算器、２２…制限器、２３…電流調整器、２４…交流電流制御器。
Claims (10)
- 燃料電池と交流系統を電力変換器を介して接続すると共に、その接続部から負荷に負荷電力を供給し、前記負荷電力に追従して前記燃料電池の電力指令値を前記電力変換器に出力する燃料電池の運転制御方法において、
前記燃料電池の電池電圧を検出し、前記電池電圧の低下に応じて前記電力指令値の制限値を低下させ、前記電池電圧が第１の閾値まで低下したときに前記電力指令値を前記制限値とすることを特徴とする燃料電池の運転制御方法。 - 請求項１において、
前記電池電圧が第１の閾値まで低下したときに燃料電流の出力電流が低下し始め、前記電池電圧が第２の閾値まで低下したときに前記電力指令値を０とすることを特徴とする燃料電池の運転制御方法。 - 請求項２において、
前記第１の閾値は電圧低下警報レベル、前記第２の閾値は前記電力変換器を停止する電圧低下保護レベルである燃料電池の運転制御方法。 - 請求項１において、
前記燃料電池の出力電流を検出し、この出力電流と前記電力指令値を差分し、この差分が０となるようにデューティ指令値を調整し、前記デューティ指令値を三角波と比較して前記電力変換器のゲートパルスとすることを特徴とする燃料電池の運転制御方法。 - 燃料電池と、前記燃料電池と交流系統を電力変換器を介して接続すると共に、その接続部から負荷電力を供給している負荷を備え、前記負荷電力に追従して前記燃料電池の電力指令値を前記電力変換器に出力する電力指令制御手段を有する燃料電池の運転制御装置において、
前記燃料電池の電池電圧を検出し、前記電池電圧の低下に応じて前記電力指令値の制限値を低下させる制限手段を設け、前記電池電圧が第１の閾値まで低下したときに前記電力指令値を前記制限値とすることを特徴とする燃料電池の運転制御装置。 - 請求項５において、
前記制限手段は、前記電池電圧が第２の閾値まで低下したときに前記電力指令値を０とすることを特徴とする燃料電池の運転制御装置。 - 請求項６において、
前記制限値は、前記電池電圧との間に（１）式の関係を有していることを特徴とする燃料電池の運転制御装置。
ＩＬＩＭ（Ｅｆ）＝Ｉｍａｘ／（Ｅａｌ−Ｅｐｒ）×Ｅｆ−Ｉｍａｘ×Ｅｐｒ／（Ｅａｌ−Ｅｐｒ） （１）
ここで、ＩＬＩＭ：制限値、Ｅｆ：電池電圧、Ｅａｌ：第１の閾値、Ｅｐｒ：第２の閾値、Ｉｍａｘ：電力変換器の定格出力電流である。 - 燃料電池と、前記燃料電池と交流系統を電力変換器を介してと接続すると共に、その接続部から負荷電力を供給している負荷を備え、前記負荷電力に追従して前記燃料電池の電力指令値を前記電力変換器に出力する電力指令制御手段を有する燃料電池の運転制御装置において、
前記電力変換器に燃料電池の直流出力電圧を所定値に制御する第１の変換器と、前記第１の変換器と前記交流系統を結ぶ第２の変換器を設け、
前記電力指令制御手段からの前記電力指令値を前記第１の変換器に出力する場合に、前記燃料電池の電池電圧を検出し、前記電池電圧の低下に応じて前記電力指令値の制限値を低下させる制限手段を設け、前記電池電圧が第１の閾値まで低下したときに前記電力指令値を前記制限値とすることを特徴とする燃料電池の運転制御装置。 - 請求項８において、
前記制限手段は、前記電池電圧が第２の閾値まで低下したときに前記電力指令値を０とすることを特徴とする燃料電池の運転制御装置。 - 請求項８において、
前記第１の変換器はＤＣ−ＤＣコンバータ、前記第２の変換器はインバータからなり、
前記インバータは、その入力側の直流電圧と出力側の交流電圧及び交流電流を検出し、前記インバータを駆動させるためのゲート信号を発生する直流電圧制御器によって制御されていることを特徴とする燃料電池の運転制御装置。
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