JP2015050070A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】電力変換装置の運転台数を制御して、電力変換装置と燃料電池との電力変換損失の合計値を低減する運転を行う燃料電池システムを提供すること。
【解決手段】制御装置５００は、負荷電力に応じて、電力変換装置２００と燃料電池３００の電力変換損失の両方の合計値を最小にするように、電力変換装置２００の電力変換ユニットの運転台数および出力電流値または出力電圧を制御し、燃料電池３００の出力電流値または出力電圧値を制御する。電力変換装置２００に対しては負荷電力の変動に対して余裕があり、かつ効率の高い負荷率での運転ができる電力変換装置２００の定格出力電力指令値Ｐ＿ＲＦｒになるように電力変換ユニットの台数、および出力電流または出力電圧を制御し、燃料電池３００に対しては効率の高い負荷率での運転を行う分担電力指令値となるように出力電流または出力電圧を制御する。
【選択図】図１

Description

本発明は、通信ビルやデータセンタなどで用いられる直流電源装置、および、都市ガス、プロパンガスなどの燃料により発電を行い、負荷に電力を送る燃料電池システムに関する。

従来の一般的な電力供給を行う給電システムでは、定格電力が一定の電力変換装置を用いて接続された負荷の大きさに合わせて出力電力を制御している。但し、負荷電力が減少した場合、電力変換装置の負荷率（出力電力／定格電力）が低下するので電力変換効率は低くなっていた。

そこで、電力変換装置に複数の電力変換ユニットを搭載し、負荷電力が減少した場合、それら複数の電力変換ユニットの一部を停止させて電力変換装置の定格電力を小さくすることで負荷率を維持・向上させる方法が考案された。しかしこの方法では、電力変換ユニットの一部を停止させているときに負荷電力が増加し、起動中の電力変換ユニットだけでは出力電力が不足する場合、停止させていた電力変換ユニットの再起動が間に合わないと、電力変換装置の供給する電力が不足して負荷が停止してしまう恐れがあった。

このようなことから、負荷電力の変動に追従して電力変換装置の運転台数や燃料電池の燃料供給量を調整して定格電力を制御する給電システムが考案された。図５に、従来の電力変換装置および燃料電池による給電システムを示す。整流装置１２００は、商用電源１１００からの電力をＡＣ−ＤＣコンバータ１２１０で直流電力に変換して出力し、燃料電池１３００は、燃料制御機１３１０から供給される燃料に応じて発電モジュール１３２０で発電した電力をＤＣ−ＤＣコンバータ１３３０を介して直流電力を出力する。整流装置１２００は、電圧・電流センサ１２３０の計測値に基づき整流装置制御装置１２２０によって出力電力が制御されている。燃料電池１３００は、電圧・電流センサ１３５０−１、１３５０−２に基づき燃料電池制御装置１３４０によって発電モジュール１３２０の出力電力およびＤＣ−ＤＣコンバータ１３３０の出力電力が制御されている。

図５に示すように、負荷電力の変動に追従して電力変換装置の運転台数や燃料電池の燃料供給量を調整して定格電力を制御することにより、負荷率の高い運転を行い電力変換効率の高い低損失な運転を行うと同時に、変動する負荷電力よりも定格出力を常に大きくすることで信頼性を確保した運転を行うことを可能にしている。

特許第３８０１９１０号公報 特開２００９−１９５０７９号公報 特開２００９−２１９３１０号公報

しかしながら、図５に示すような従来の電力変換装置では、時間的な応答性が良いため負荷電力への追従性能は高いが、定格電力はユニット台数に依存して連続的に変更することが出来ない。そのため、負荷率の調整も不連続になってしまい、負荷率の不連続な箇所においては電力変換損失が増加してしまうという課題があった。

一方、燃料電池により負荷に電力を供給する場合、燃料電池の出力は供給する燃料供給量を調整することにより連続的に出力電力を調整することが出来るため、高い負荷率で運転することで電力変換損失を低減することが出来る。しかしながら、燃料電池は負荷電力の変動に対して時間的な応答性が悪いため、負荷電力が減少した場合には、供給した燃料に対して消費する電流が少なくなり、燃料利用率低下による効率が低下するという課題があった。また、負荷電力が増加した場合には、供給した燃料に対して消費する電流が多くなり、燃料不足の状態になって燃料電池の故障に繋がる恐れがあるという課題があった。

以上のことから、従来の電力変換装置と燃料電池を接続した給電システムでは、最大効率では運転できず、燃料電池が故障しないよう余裕を持って運転する必要があった。

本発明は、このような課題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、負荷電力の変動が生じた場合には、電力変換装置の運転台数を制御して常に負荷電力を上回る定格電力を確保することで電力不足による負荷の停止などが発生しない運転をするとともに、電力変換装置と燃料電池とで分担する電力を調整することにより、電力変換の過程で生じる電力変換装置と燃料電池の電力変換損失の合計値を低減する運転を行う燃料電池システムを提供することにある。

上記の課題を解決するために、本発明は、商用系統の電力を所望の電流値もしくは電圧値の直流電力に変換し出力する電力変換装置と、燃料から直流電力を発電し出力する燃料電池と、前記電力変換装置および前記燃料電池の出力する電流値および電圧値をそれぞれ計測するセンサと、前記電力変換装置の運転・停止、および前記燃料電池の出力電流又は出力電圧を制御する制御装置と、からなる燃料電池システムにおいて、前記制御装置は、前記電力変換装置および前記燃料電池が接続された負荷電力に対して、前記電力変換装置および前記燃料電池の電力変換損失の両方の合計値を最小とするように前記電力変換装置および前記燃料電池が出力する電力をそれぞれ計算し、その計算結果に基づき前記電力変換装置および前記燃料電池の出力電流または出力電圧の制御を行う、ことを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、前記制御装置は、前記電力変換装置の電力変換効率と前記燃料電池の電力変換効率とを比較し、前記電力変換装置の電力変換効率の方が高い場合、前記電力変換装置に前記電力変換装置の定格電力分の電力を出力させ、不足する電力を前記燃料電池に出力させ、前記燃料電池の電力変換効率の方が高い場合、前記燃料電池に最も高い変換効率で出力できる電力を出力させ、不足する電力を前記電力変換装置に出力させることを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の燃料電池システムにおいて、前記電力変換装置は、商用系統の電力を所望の電流値もしくは電圧値の直流電力に変換し出力する電力変換ユニットを複数備え、前記制御装置から送られる制御信号によって前記電力変換ユニットが個別に運転および停止され、前記制御装置は、前記電力変換装置の出力電力を出力可能な最小台数の前記電力変換ユニットを運転させることを特徴とする。

請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の燃料電池システムにおいて、前記各電力変換ユニットは、停止から速やかに運転に移行することのできる待機状態にされていることを特徴とする。

請求項５に記載の発明は、請求項１乃至４のいずれかに記載の燃料電池システムにおいて、前記制御装置は、前記センサから得られる前記燃料電池の出力電流または出力電圧に基づき、前記燃料電池の出力電流または出力電圧が所望の値になるように前記燃料電池に供給される燃料供給量を所望の値に制御することを特徴とする。

本発明の燃料電池システムにより、通信負荷など直流の負荷電力が増加した場合でも、時間的な応答性の良い電力変換装置のユニット台数を増加することによって、定格電力を増加することが出来るため、燃料電池が出力不足になることがなく故障も防げるという効果がある。もし、燃料電池が故障した場合においても、速やかに電力変換装置の台数を増加して定格電力を増加することによって負荷への出力電力不足になることがないという効果がある。

また、負荷電力が減少した場合でも、時間的な応答性の良い電力変換装置のユニット台数を調整することによって、電力変換装置と燃料電池の電力変換損失を低減することができるという効果がある。

本発明の一実施形態に係る燃料電池システムの構成を示す図である。 本発明の一実施形態に係る燃料電池システムの動作を説明するフローチャートである。 本発明の一実施形態に係る燃料電池システムにおける燃料電池の構成の一例を示す図である。 本発明の一実施形態に係る燃料電池システムの発電パターンの一例を示す図である。 従来の電力変換装置および燃料電池による給電システムの構成を示す。

以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。

図１に、本発明の一実施形態に係る燃料電池システムの構成を示す。

本発明の燃料電池システムは、商用電源１００、複数の電力変換ユニットを有し、それらの運転台数を任意に変更可能な電力変換装置２００、水素の化学反応で発電する燃料電池３００、電圧・電流センサ４００−１〜４００−３及び制御装置５００からなる。電力変換装置２００および燃料電池３００は、それらから負荷６００に電力供給できるよう接続される。

電力変換装置２００は、制御装置５００から指令された電力変換ユニット台数を用いて商用電源１００から入力される電力を所望の電流値および電圧値に変換し、接続された負荷６００に電力を供給する。電力変換装置２００から供給された電力については、電圧・電流センサ４００−１によって出力電流Ｉ＿ＲＦおよび出力電圧Ｖ＿ＲＦを検出して制御装置５００に入力される。

燃料電池３００は、制御装置５００から指令された燃料量で発電を行い、接続された負荷６００に直流電力を供給する。燃料電池３００から供給された電力については、電圧・電流センサ４００−２によって出力電流I_ｏｕｔおよび出力電圧Ｖ_ｏｕｔを検出して制御装置５００に入力される。燃料電池３００は、改質器を有したものであれば都市ガスやプロパンガス等を燃料とすることができる。

制御装置５００は、電圧・電流センサ４００−３によって得られた負荷６００の電流値Ｉ＿Ｌおよび電圧値Ｖ＿Ｌから求められる負荷電力に応じて、電力変換装置２００と燃料電池３００の電力変換損失の両方の合計値を最小にするように、電力変換装置２００の電力変換ユニットの運転台数および出力電流値または出力電圧を制御し、燃料電池３００の出力電流値または出力電圧値を制御する。

図２に、本発明の一実施形態に係る燃料電池システムの動作を説明するフローチャートを示す。

制御装置５００は、負荷６００の電力Ｐ＿Ｌは電圧・電流センサ４００−３によって得られる負荷６００の電流Ｉ＿Ｌ及び電圧Ｖ＿Ｌから
Ｐ＿Ｌ＝Ｉ＿Ｌ×Ｖ＿Ｌ （１）
で計算する（Ｓ１０１）。

負荷６００の電力がＰ＿Ｌであるときに電力変換装置２００と燃料電池３００の電力変換損失の合計値を最小とするように電力変換装置２００と燃料電池３００とで分担する出力電力は、電力変換装置２００の出力電力をＰ＿ＲＦ、燃料電池３００の出力電力をＰ＿ＦＣとすると、
Ｐ＿ＲＦ＝Ｆ＿ＲＦ（Ｐ＿Ｌ） （２）
Ｐ＿Ｌ＝Ｐ＿ＲＦ＋Ｐ＿ＦＣ （３）
と表わされ、制御装置５００によって計算される（Ｓ１０２）。ここでＦ＿ＲＦ（Ｐ＿Ｌ）は、電力変換装置２００の負荷率と効率曲線との関係や、燃料電池３００の発電効率や高効率で運転することが可能な出力範囲などから求められ、負荷６００の電力がＰ＿Ｌであるときに、電力変換損失の合計値を最小とする電力変換装置２００の出力電力Ｐ＿ＲＦを求める関数である。

次に、負荷６００の電力がＰ＿Ｌであるときに電力変換損失の両方の合計値を最小とするように制御装置５００が電力変換装置２００および燃料電池３００へと指令する出力電力指令値について説明する。

電力変換装置２００の定格出力電力指令値Ｐ＿ＲＦｒは、電力変換装置を構成する電力変換ユニット１台当たりの定格出力と稼働しているユニットの台数との積に相当する値である。電力変換装置２００の定格出力電力指令値Ｐ＿ＲＦｒは電力変換装置２００の出力電力Ｐ＿ＲＦ以上であることが求められるため、電力変換装置２００のユニット台数をＮ台、電力変換ユニット１台あたりの定格出力電力をＰ＿ｕとすると、
Ｐ＿ＲＦ≦Ｎ×Ｐ＿ｕ （４）
を満たすＮ台の電力変換ユニットを稼働させる必要があることが求められる。一方、電力変換装置２００の定格出力電力指令値Ｐ＿ＲＦｒが、負荷が必要とする電力と比較して大きくなりすぎると負荷率が減少して効率が下がり、電力変換損失が大きくなってしまうため、電力変換装置２００の電力変換損失を最小にするときの電力変換装置２００のユニット台数は
（Ｎ−１）×Ｐ＿ｕ＜Ｐ＿ＲＦ＜Ｎ×Ｐ＿ｕ （５）
を満たす最小のＮ台となる。最小のＮを求めるため、Ｎが１の場合から計算していき、式（５）を満たすまでＮを１ずつ増やしていく（Ｓ１０３〜Ｓ１０５）。

制御装置５００による電力変換装置２００の定格出力電力指令値Ｐ＿ＲＦｒは、最小のＮから
Ｐ＿ＲＦｒ＝Ｎ×Ｐ＿ｕ （６）
となる（Ｓ１０６）。

ただし、負荷６００の電力Ｐ＿Ｌの出力変動に対して電力変換装置２００は余裕をもった出力電力であることが求められるため、必ずしも電力変換装置２００の電力変換損失を最小にするユニット台数で運転することは限らない。

すなわち、制御装置５００は、負荷６００の電力Ｐ＿Ｌに対して電力変換装置２００と燃料電池３００の電力変換損失の合計値を最小にする出力電力は、電力変換装置２００に対しては負荷電力の変動に対して余裕があり、かつ効率の高い負荷率での運転ができる電力変換装置２００の定格出力電力指令値Ｐ＿ＲＦｒになるように電力変換ユニットの台数、および出力電流または出力電圧を制御し、燃料電池３００に対しては効率の高い負荷率での運転を行う分担電力指令値となるように出力電流または出力電圧を制御する。

電力変換装置２００の定格出力電力指令値Ｐ＿ＲＦｒおよび燃料電池３００の出力電力Ｐ＿ＦＣは、具体的に一例をあげると以下のように求められる。

電力変換装置２００の負荷率は、上記のように出力電力／定格電力、すなわちＰ＿ＲＦ／Ｐ＿ＲＦｒで求められる。従って、電力変換装置２００の単体の負荷率は、電力変換装置２００の出力電力Ｐ＿ＲＦが運転中の電力変換ユニット群の定格出力と等しくなる時に最大となる。

よって、電力変換装置２００の定格電力に余力を持たせながら電力変換装置２００単体の負荷率を最大化するためには、Ｐ＿ＲＦ＝（Ｎ−１）×Ｐ＿ｕとすれば良いことから、燃料電池３００の出力電力Ｐ＿ＦＣは式（３）を変形し、
Ｐ＿ＦＣ＝Ｐ＿Ｌ−Ｐ＿ＲＦ
＝Ｐ＿Ｌ−（Ｎ−１）×Ｐ＿ｕ （７）
となるように制御する。これにより、電力変換装置２００の運転台数をＮ台からＮ−１台に減らすことができる。また、電力変換装置２００の出力電力Ｐ＿ＲＦの負荷率を高く保つことが出来るため、電力変換装置２００の電力変換損失は小さくなる。

なお、実際に設定する燃料電池３００の出力電力Ｐ＿ＦＣは、式（７）で定めた値に所定の値を加算または乗算して調整し、余裕を持たせた値とすることにより、システムの不安定な動作を避けることができる。

次に、負荷６００の電力が変動してＰ＿Ｌ’になった場合は、燃料電池３００の時間的な応答性が悪いことを考慮して、負荷６００の電力変動が生じた前後の燃料電池３００の出力電力Ｐ＿ＦＣは一定とみなすと、電力変換装置２００の出力電力Ｐ＿ＲＦ’は
Ｐ＿ＲＦ’＝Ｐ＿Ｌ’−Ｐ＿ＦＣ （８）
と表わすことができる。すなわち、負荷６００の電力が変動した場合には、電力変換装置２００の出力電力Ｐ＿ＲＦを出力するのに必要な電力変換装置２００の運転台数は
（Ｎ’−１）×Ｐ＿ｕ＜Ｐ＿Ｌ’−Ｐ＿ＦＣ＜Ｎ’×Ｐ＿ｕ （９）
を満たす最小のＮ’台以上となるように制御される。

負荷６００の電力変動が燃料電池３００の出力電力Ｐ＿ＦＣの応答性に対して緩やかに変動する場合は、電力変換損失の合計値が最小となるような燃料電池３００の出力電力Ｐ＿ＦＣ’になるように燃料電池３００の出力電力Ｐ＿ＦＣを制御し、電力変換装置２００の台数も式（９）に代入して
（Ｎ’’−１）×Ｐ＿ｕ＜Ｐ＿Ｌ’−Ｐ＿ＦＣ’＜Ｎ’’×Ｐ＿ｕ （１０）
を満たすような最小のＮ’’台とすることもできる。

なお、電力変換装置２００には、制御装置５００から送られる制御信号によって、電力変換ユニットを運転および停止する機能と、電力変換ユニットの停止状態から速やかに運転状態に移行することのできる待機状態にする機能とを有するものを利用することによって、負荷６００の電力変動が急であった場合でも電力変換ユニットの起動および停止を速やかに行うことができる。

図３に、本発明の一実施形態に係る燃料電池システムにおける燃料電池の構成の一例を示す。燃料電池３００は、燃料制御器３１０発電モジュール３２０およびＤＣ−ＤＣコンバータ３３０からなり、出力電力Ｐ＿ＦＣを燃料制御器３１０への燃料供給量指令値ＦＣｒによって制御することができる。

ここで、ある時間ｔにおける発電モジュール３２０に必要な単位時間当たりの燃料供給量Ｆについて説明する。単位時間当たりの燃料供給量Ｆは以下のような式（１２）で表される。
Ｆ＝Ｋ×Ｉ×Ｃ （１２）
但し、Ｋは単セルに１Ａの電流を流すのに必要な単位時間当たりの燃料を表わす化学定数、Ｉは時間ｔに発電モジュール３２０から出力される電流を、Ｃはセル数とする。ここで、燃料の種類を変えずに発電を行う場合、化学定数Ｋは一定であり、またセル数Ｃも燃料電池システムを構築した後は一定であるため、上式より燃料消費量Ｆは発電モジュール３２０から出力される電流Ｉに依存することになる。

上記のように発電モジュール３２０から出力される電流Ｉは、本発明においてはＤＣ−ＤＣコンバータ３３０に入力される電流Ｉ_ｉｎを示していることから式（１２）は以下のような式（１２）に置き換えられる。
Ｆ＝Ｋ’×Ｉ_ｉｎ （１２）
但し、Ｋ’は定数であり、Ｋ’＝Ｋ×Ｃである。また、入力電流Ｉ_ｉｎと出力電流Ｉ_ｏｕｔには以下の式（１３）のような関係がある。
Ｉ_ｉｎ×Ｖ_ｉｎ＝Ｉ_ｏｕｔ×Ｖ_ｏｕｔ
＝Ｐ＿ＦＣ （１３）
但し、Ｐ＿ＲＣは燃料電池３００の出力電力であり、Ｐ＿ＦＣ＝Ｉ_ｏｕｔ×Ｖ_ｏｕｔである。式（１３）において一定の入力電圧Ｖ_ｉｎおよび出力電圧Ｖ_ｏｕｔの状態においては、燃料電池３００の出力電力Ｐ＿ＦＣは出力電流Ｉ_ｏｕｔに比例する。このため、燃料電池３００の出力電力Ｐ＿ＦＣに対応する出力電流Ｉ_ｏｕｔが判明すれば入力電流Ｉ_ｉｎも判明する。

よって、計測された出力電流Ｉ_ｏｕｔに従って必要十分の燃料供給量Ｆを供給することで、燃料電池の出力電力Ｐ＿ＦＣの低下時の発電効率低下の抑制や、燃料電池３００の出力電力Ｐ＿ＲＣの増加時の発電モジュール３２０の故障を防止することができる。

また、出力電流Ｉ_ｏｕｔの代わりにＤＣ−ＤＣコンバータ３３０の入力電流Ｉ_ｉｎに従って必要十分の燃料供給を行うことで、発電効率低下の抑制や、発電モジュール３２０の故障を防止することもできる。燃料制御器３１０に対する燃料供給量Ｆは、式（１２）と（１３）を組み合わせることによって得られる以下の式（１５）または（１５）’によって求められる。
Ｆ＝Ｋ’×Ｉ_ｉｎ （１５）
＝Ｋ’×Ｉ_ｏｕｔ×Ｖ_ｏｕｔ／Ｖ_ｉｎ （１５）’
入力電流Ｉ_ｉｎに従って燃料供給量Ｆを制御する場合には式（１５）を、出力電流Ｉ_ｏｕｔに従って燃料供給量Ｆを制御する場合には式（１５）’を用いればよい。なお、実際に設定する燃料供給量指令値ＦＣｒは、式（１５）または（１５）’で求めた燃料供給量Ｆに予め定めた値を加算または乗算して、やや大きめの値とすることにより、システムの不安定な動作を避けることができる。

上記の説明より、本発明においては、燃料電池３００の燃料供給量Ｆと出力電力Ｐ＿ＦＣとの関係は、ＤＣ−ＤＣコンバータ３３０の入力電圧Ｖ_ｉｎおよび出力電圧Ｖ_ｏｕｔが一定の場合、
Ｆ＝Ｋ’×Ｐ＿ＦＣ／Ｖ_ｉｎ
＝Ｋ’’×Ｐ＿ＦＣ （１６）
となる（Ｓ１０６）。ただし、Ｋ’’は定数であり、Ｋ’’＝Ｋ’／Ｖ_ｉｎ＝Ｋ×Ｃ／Ｖ_ｉｎである。この関係式に基づき、出力電力Ｐ＿ＦＣから燃料電池３００に対する燃料指令値ＦＣｒを設定する。

ここで、図４に、本発明の一実施形態に係る燃料電池システムの発電パターンの一例を示す。

ｔ１にて、負荷６００が増加すると、制御装置５００は電圧・電流センサ４００−３の測定値に基づき電力変換装置２００の出力電力Ｐ＿ＲＦを増加させるよう指示する指令値Ｐ＿ＲＦｒを電力変換装置２００に送信する。この時、燃料電池３００の出力電力Ｐ＿ＦＣは変化しない。

ｔ２にて、制御装置５００は、燃料供給量Ｆを増加させるよう指示する燃料供給指令値ＦＣｒを燃料電池３００に送信する。燃料の増加に伴い、燃料電池３００の出力電力Ｐ＿ＦＣが増加する。ｔ２の時点では負荷６００の電力Ｐ＿Ｌは一定なので、制御装置５００は、電圧・電流センサ４００−１、電圧・電流センサ４００−２の測定値に基づき、燃料電池３００の出力電力Ｐ＿ＦＣが増加した分だけ電力変換装置２００の出力電力Ｐ＿ＲＦを減少させる。

ｔ３にて、燃料電池３００の出力電力Ｐ＿ＦＣの増加と電力変換装置２００の出力電力Ｐ＿ＲＦの減少が止まると、制御装置５００は、出力電力Ｐ＿ＲＦに基づき電力変換装置２００に最適なユニット台数を算出し、最適なユニット台数を指示する指令値Ｐ＿ＲＦｒを電力変換装置２００に送信する。電力変換装置２００は、ユニット台数を減少させると、最適なユニット台数を維持し、効率を高い状態で維持する。

ｔ４にて、負荷６００が減少すると、制御装置５００は、電圧・電流センサ４００−３で負荷６００の電力Ｐ＿Ｌの減少を検出し、電力変換装置２００の出力電力Ｐ＿ＲＦを減少させるよう指示する指令値Ｐ＿ＲＦｒを電力変換装置２００に送信する。出力電力Ｐ＿ＲＦの減少により、電力変換装置２００のユニットが最適でなくなると、制御装置５００は、出力電力Ｐ＿ＲＦに基づき電力変換装置２００に最適なユニット台数を算出し、最適なユニット台数を指示する指令値Ｐ＿ＲＦｒを電力変換装置２００に送信する。このとき燃料電池３００の出力電力Ｐ＿ＦＣは変化しない。

ｔ５にて、制御装置５００は、燃料供給量Ｆを減少させるよう指示する燃料供給指令値ＦＣｒを燃料電池３００に送信する。燃料の減少に伴い、燃料電池３００の出力電力Ｐ＿ＦＣが減少する。ｔ５の時点では負荷６００の電力Ｐ＿Ｌは一定なので、制御装置５００は、電圧・電流センサ４００−１、電圧・電流センサ４００−２の測定値に基づき、燃料電池３００の出力電力Ｐ＿ＦＣが減少した分だけ電力変換装置２００の出力電力Ｐ＿ＲＦを増加させる。

ｔ６にて、電力変換装置２００及び燃料電池３００の出力電力は安定した状態となる。

本発明の燃料電池システムにおける電力供給量の電力変換装置２００と燃料電池３００とへの分配方法、すなわちＰ＿ＲＦ＝Ｆ＿ＲＦ（Ｐ＿Ｌ）における関数の策定方法に関する考え方については、まず、それぞれの発電効率が高い電力出力範囲における、電力変換装置２００と燃料電池３００との変換効率を比較する。

電力変換装置２００の変換効率の方が高い場合は、負荷率が高い、具体的には電力変換ユニットの定格出力×ユニット稼働台数分の電力を電力変換装置２００が供給し、不足する電力を燃料電池３００が供給する。

これに対して燃料電池３００の変換効率の方が高い場合は、燃料電池３００が最も高い変換効率で出力できる電力を燃料電池３００が供給し、不足する電力及び負荷変動に対応するために必要な電力を電力変換装置２００が供給する。燃料電池３００の変換効率が出力により変動する場合は、燃料電池３００の出力ごとに上記の電力変換装置２００と燃料電池３００との変換効率の比較を行う。

１００、１１００ 商用電源
２００ 電力変換装置
３００、１３００ 燃料電池
３１０、１３１０ 燃料制御器
３２０、１３２０ 発電モジュール
３３０、１３３０ ＤＣ−ＤＣコンバータ
４００、１２３０、１３５０ 電圧・電流センサ
５００ 制御装置
６００、１４００ 負荷
１２００ 整流装置
１２１０ ＡＣ−ＤＣコンバータ
１２２０ 整流装置制御装置
１３４０ 燃料電池制御装置

Claims (5)

1. 商用系統の電力を所望の電流値もしくは電圧値の直流電力に変換し出力する電力変換装置と、
   燃料から直流電力を発電し出力する燃料電池と、
   前記電力変換装置および前記燃料電池の出力する電流値および電圧値をそれぞれ計測するセンサと、
   前記電力変換装置の運転・停止、および前記燃料電池の出力電流又は出力電圧を制御する制御装置と、
   からなる燃料電池システムにおいて、
   前記制御装置は、前記電力変換装置および前記燃料電池が接続された負荷電力に対して、前記電力変換装置および前記燃料電池の電力変換損失の両方の合計値を最小とするように前記電力変換装置および前記燃料電池が出力する電力をそれぞれ計算し、その計算結果に基づき前記電力変換装置および前記燃料電池の出力電流または出力電圧の制御を行う、
   ことを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記制御装置は、前記電力変換装置の電力変換効率と前記燃料電池の電力変換効率とを比較し、前記電力変換装置の電力変換効率の方が高い場合、前記電力変換装置に前記電力変換装置の定格電力分の電力を出力させ、不足する電力を前記燃料電池に出力させ、前記燃料電池の電力変換効率の方が高い場合、前記燃料電池に最も高い変換効率で出力できる電力を出力させ、不足する電力を前記電力変換装置に出力させることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記電力変換装置は、商用系統の電力を所望の電流値もしくは電圧値の直流電力に変換し出力する電力変換ユニットを複数備え、前記制御装置から送られる制御信号によって前記電力変換ユニットが個別に運転および停止され、
   前記制御装置は、前記電力変換装置の出力電力を出力可能な最小台数の前記電力変換ユニットを運転させることを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池システム。
4. 前記各電力変換ユニットは、停止から速やかに運転に移行することのできる待機状態にされていることを特徴とする請求項３に記載の燃料電池システム。
5. 前記制御装置は、前記センサから得られる前記燃料電池の出力電流または出力電圧に基づき、前記燃料電池の出力電流または出力電圧が所望の値になるように前記燃料電池に供給される燃料供給量を所望の値に制御することを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の燃料電池システム。

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