JP2016181461A - 燃料電池システム - Google Patents

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Abstract

【課題】ダイオードを有する逆接続防止回路において、ダイオードによる電力損失を抑制することができる燃料電池システムを提供すること。
【解決手段】燃料電池10とパワーコンディショナ20とを接続する電源ライン61と、電源ライン61に設けられダイオード32を有する逆接続防止回路30と、燃料電池10からパワーコンディショナ20に直流電流を供給する供給状態又は非供給状態を切り換える第1スイッチ部41と、逆接続防止回路30を短絡状態又は非短絡状態に切り換える第2スイッチ部42と、燃料電池10とパワーコンディショナ20との接続状態が逆接続であるか否かを判定する判定部51と、判定部51により逆接続であると判定されたときに、エラー信号を出力するように制御すると共に、判定部51により逆接続でないと判定されたときに、第2スイッチ部42を非短絡状態から短絡状態に切り換えるように制御する制御部50と、を備える。
【選択図】図1

Description

本発明は、燃料電池とパワーコンディショナとを備える燃料電池システムに関する。
従来、パワーコンディショナを用いるシステムにおいて、燃料電池と、パワーコンディショナと、を備える技術が知られている(例えば、特許文献1参照)。特許文献1に記載のパワーコンディショナには、出力端子の正極と負極との間に、燃料電池が逆に接続(逆接続)された場合に出力端子の正極と負極とを短絡する短絡ダイオードが接続されている。そのため、特許文献1に記載のパワーコンディショナは、燃料電池が逆に接続された場合に、パワーコンディショナの出力端子の正極と負極とが短絡されて、逆接続による電気部品の破損を防止することができる。
また、パワーコンディショナを用いるシステムにおいて、太陽電池とパワーコンディショナとを接続する電源ラインに、逆流防止ダイオードが直列に設けられる技術が知られている(例えば、特許文献2参照)。特許文献2に記載のパワーコンディショナは、太陽電池が逆に接続(逆接続)された場合に、逆流防止ダイオードにより太陽電池とパワーコンディショナとが正常に接続された場合に電流が流れる方向とは逆方向に電流が流れることを防止して、逆接続による電気部品の破損を防止することができる。
特開2014−147203号公報 特開2004−312994号公報
特許文献1の燃料電池システムにおいて、燃料電池とパワーコンディショナとを接続する電源ラインに、特許文献2に記載のような逆接続を防止するためのダイオードが直列に設けられることがある。この場合に、燃料電池とパワーコンディショナとが正常に接続(正常接続)されたときには、ダイオードに電流が流れて、ダイオードの電圧降下による電力損失が生じる。燃料電池システムにおいて、燃料電池の出力の効率を向上させるため、このダイオードの電圧降下による電力損失を抑制することが望まれる。
本発明は、燃料電池とパワーコンディショナとを接続する電源ラインに設けられるダイオードを有する逆接続防止回路において、ダイオードによる電力損失を抑制することができる燃料電池システムを提供することを目的とする。
本発明は、燃料電池と、前記燃料電池から出力される直流電圧を所定の直流電圧に変換するコンバータ部と、前記コンバータ部から出力される直流電圧を交流電圧に変換するインバータ部と、を有するパワーコンディショナと、前記燃料電池と前記パワーコンディショナとを接続する電源ラインと、前記電源ラインに設けられる逆接続防止回路であって、前記燃料電池の側にアノードが接続され且つ前記パワーコンディショナの側にカソードが接続されるダイオードを有する逆接続防止回路と、前記電源ラインにおける前記逆接続防止回路よりも前記燃料電池の側に設けられ、前記燃料電池から前記パワーコンディショナに直流電流を供給する供給状態又は供給しない非供給状態を切り換える第1スイッチ部と、前記逆接続防止回路に並列に設けられ、前記逆接続防止回路を短絡する短絡状態又は短絡しない非短絡状態を切り換える第2スイッチ部と、前記燃料電池と前記パワーコンディショナとの接続状態が逆接続であるか否かを判定する判定部と、前記第2スイッチ部が前記非短絡状態であり、且つ、前記第1スイッチ部が前記非供給状態から前記供給状態に切り換えられた場合に、前記判定部により前記燃料電池と前記パワーコンディショナとの接続状態が逆接続であると判定されたときに、エラー信号を出力するように制御すると共に、前記判定部により前記燃料電池と前記パワーコンディショナとの接続状態が逆接続でないと判定されたときに、前記第2スイッチ部を前記非短絡状態から前記短絡状態に切り換えるように制御する制御部と、を備える燃料電池システムに関する。
また、前記逆接続防止回路は、前記電源ラインにおいて前記ダイオードよりも前記燃料電池の側に設けられ前記ダイオードと直列接続される突入電流防止用の抵抗を有することが好ましい。
本発明によれば、燃料電池とパワーコンディショナとを接続する電源ラインに設けられるダイオードを有する逆接続防止回路において、ダイオードによる電力損失を抑制することができる燃料電池システムを提供することができる。
本発明の燃料電池システム1を示すブロック図である。 本発明の燃料電池システム1において、燃料電池10が正常に接続された場合の状態を示す図であり、(a)は第1スイッチ部41を閉じた場合を示す図であり、(b)は第2スイッチ部42を閉じた場合を示す図である。 本発明の燃料電池システム1において、燃料電池10が逆に接続された場合の状態を示す図であり、第1スイッチ部41を閉じた場合を示す図である。
以下、本発明の実施形態による燃料電池システム1について、図1を参照しながら説明する。図1は、本発明の実施形態による燃料電池システム1を示すブロック図である。
図1に示すように、燃料電池システム1は、燃料電池10と、パワーコンディショナ20と、逆接続防止回路30と、第1スイッチ部41と、第2スイッチ部42と、制御部50と、を備える。
燃料電池10は、例えば、高温型の燃料電池であるSOFC(固体酸化物形燃料電池)により構成される。燃料電池10においては、水素と酸素とが反応することによる発電が行われる。燃料電池10によって発電された直流電圧は、パワーコンディショナ20に出力される。
燃料電池10は、電源ライン60を介して、パワーコンディショナ20に接続可能である。電源ライン60は、燃料電池10とパワーコンディショナ20とを接続する。
電源ライン60は、燃料電池10から出力される直流電圧がパワーコンディショナ20に入力される入力ライン61と、グランドライン62と、を有する。
入力ライン61の一端部61aは、パワーコンディショナ20の入力部に接続される。入力ライン61の他端部61bには、燃料電池10の出力端子Vを接続可能である。グランドライン62の一端部62aは、パワーコンディショナ20のグランド部に接続される。グランドライン62の他端部62bには、燃料電池10のグランド端子Gを接続可能である。
入力ライン61の他端部61bが燃料電池10の出力端子Vに接続され、且つ、グランドライン62の他端部62bが燃料電池10のグランド端子Gに接続された場合に、燃料電池10は、パワーコンディショナ20に正常に接続(正常接続)されたこととなる(図2参照)。
一方、入力ライン61の他端部61bが燃料電池10のグランド端子Gに接続され、且つ、グランドライン62の他端部62bが燃料電池10の出力端子Vに接続された場合に、燃料電池10は、パワーコンディショナ20に逆に接続(逆接続)されたこととなる(図3参照)。
入力ライン61には、第1スイッチ部41と、逆接続防止回路30と、第2スイッチ部42と、が設けられる。第1スイッチ部41及び逆接続防止回路30は、入力ライン61における他端部61bからパワーコンディショナ20までの間において、この順に直列接続されている。第2スイッチ部42は、入力ライン61において、逆接続防止回路30と並列接続されている。
逆接続防止回路30は、燃料電池10とパワーコンディショナ20との逆接続時において、燃料電池10とパワーコンディショナ20とが正常に接続された場合に電流が流れる方向とは逆方向に電流が流れることを防止する。逆接続防止回路30は、突入電流防止用の抵抗としての突入電流防止抵抗31と、ダイオードとしての逆流防止ダイオード32と、電流検出部33と、を有する。
突入電流防止抵抗31は、入力ライン61において、逆流防止ダイオード32と直列接続される。突入電流防止抵抗31は、入力ライン61において、逆流防止ダイオード32よりも燃料電池10の側に設けられる。突入電流防止抵抗31は、燃料電池10とパワーコンディショナ20とが正常に接続された場合に、燃料電池10からパワーコンディショナ20側へ流れる突入電流の大きさを低減することができる。
逆流防止ダイオード32においては、燃料電池10の側にアノードAが接続され且つパワーコンディショナ20の側にカソードKが接続される。
逆流防止ダイオード32は、アノードAからカソードKに向けて電流が流れるように入力ライン61に直列に接続される場合には、順方向に接続されている。逆流防止ダイオード32が順方向に接続される場合には、逆流防止ダイオード32には、アノードAからカソードKに向けて電流が流れる。
これにより、燃料電池10が正常に接続された場合には、逆流防止ダイオード32は、入力ライン61において、順方向に接続されている。そのため、燃料電池10が正常に接続された場合には、入力ライン61には、燃料電池10からパワーコンディショナ20に向かう方向に電流が流れる。
一方、逆流防止ダイオード32は、カソードKからアノードAに向けて電流が流れるように入力ライン61に直列に接続される場合には、逆方向に接続されている。逆流防止ダイオード32が逆方向に接続される場合には、逆流防止ダイオード32には、電流は流れない。
これにより、燃料電池10が逆に接続された場合には、逆流防止ダイオード32は、入力ライン61において、逆方向に接続されている。そのため、燃料電池10が逆に接続された場合には、入力ライン61には、パワーコンディショナ20から燃料電池10に向かう方向に電流が流れようとするが、電流は流れない。
電流検出部33は、突入電流防止抵抗31に流れる電流値を検出する。
燃料電池10とパワーコンディショナ20とが正常に接続された場合には、逆流防止ダイオード32が順方向に接続されているため、突入電流防止抵抗31には、電流が流れる。そのため、燃料電池10とパワーコンディショナ20とが正常に接続された場合には、電流検出部33により、電流値が検出される。
燃料電池10とパワーコンディショナ20とが逆に接続された場合には、逆流防止ダイオード32が逆方向に接続されているため、突入電流防止抵抗31には、電流が流れない。そのため、燃料電池10とパワーコンディショナ20とが逆に接続された場合には、電流検出部33により、電流値が検出されない。
第1スイッチ部41は、入力ライン61における逆接続防止回路30よりも燃料電池10の側に設けられる。第1スイッチ部41は、燃料電池10からパワーコンディショナ20に直流電流を供給する供給状態又は供給しない非供給状態を切り換える。本実施形態においては、第1スイッチ部41が閉じた場合(オンの場合)に、燃料電池10からパワーコンディショナ20に直流電流を供給する供給状態(直流電流の供給状態)となり、第1スイッチ部41が開いた場合(オフの場合)に、燃料電池10からパワーコンディショナ20に直流電流を供給しない非供給状態(直流電流の非供給状態)となる。
第2スイッチ部42は、逆接続防止回路30に並列に設けられる。第2スイッチ部42は、逆接続防止回路30を短絡する短絡状態又は短絡しない非短絡状態を切り換える。本実施形態においては、第2スイッチ部42が閉じた場合(オンの場合)に、逆接続防止回路30を短絡する短絡状態(逆接続防止回路30の短絡状態)となり、第2スイッチ部42が開いた場合(オフの場合)に、逆接続防止回路30を短絡しない非短絡状態(逆接続防止回路30の非短絡状態)となる。
パワーコンディショナ20は、コンバータ部としてのDC/DCコンバータ21と、インバータ部としての系統連系インバータ22と、を有する。DC/DCコンバータ21と系統連系インバータ22とは、DCバスにより電気的に接続されている。パワーコンディショナ20(DC/DCコンバータ21、系統連系インバータ22)は、制御部50に電気的に接続されている。制御部50は、DC/DCコンバータ21、系統連系インバータ22を制御可能である。
DC/DCコンバータ21は、燃料電池10から出力される90V〜160V程度の直流電圧を、所定の直流電圧に変換(昇圧)する。所定の直流電圧とは、例えば、系統連系インバータ22において系統70に供給可能な電圧(例えば、AC200V)の生成ができる程度の電圧(例えば、DC280V)であり、この出力電圧は、固定値である。
従って、DC/DCコンバータ21は、燃料電池10から出力される直流電圧が、最低入力許容電圧値よりも大きいときに、燃料電池10から出力される直流電圧を所定の直流電圧に変換する。逆に、DC/DCコンバータ21は、燃料電池10から出力される直流電圧が、最低入力許容電圧値よりも小さいときには、直流電圧を昇圧する変換を停止する。最低入力許容電圧値とは、例えば、80Vである。
系統連系インバータ22は、DC/DCコンバータ21から出力される直流電圧を、系統70に供給可能な所定の交流電圧(例えば、AC200V)に変換して系統に供給する。系統連系インバータ22は、交流電圧を系統に供給するため、系統連系インバータ22から出力される交流電圧の値は、固定値である。一方、系統連系インバータ22は、系統連系インバータ22から出力される電流の値を制御可能である。
制御部50は、燃料電池10について起動から発電までの一連の動作を制御する。具体的には、例えば、制御部50は、パワーコンディショナ20(DC/DCコンバータ21、系統連系インバータ22)を制御する。例えば、制御部50は、DC/DCコンバータ21に入力された直流電圧値が、最低入力許容電圧値の近傍の所定の値、例えば、90Vの値以下か否かを判断する。制御部50は、DC/DCコンバータ21に入力された直流電圧値が最低入力許容電圧値の近傍の所定の値以下であると判断したときには、系統連系インバータ22から出力される交流電流を低減する制御を、系統連系インバータ22に対して行う。
制御部50は、燃料電池10において発電するために設けられている補機(図示せず)に電気的に接続されており、補機等の制御を行う。ここで、補機とは、例えば、空気を燃料電池10に供給するためのブロワ(図示せず)や、燃料電池10に燃料を供給するためのブースター(図示せず)等である。
制御部50は、判定部51を有する。
判定部51は、電流検出部33により検出された電流値に基づいて、燃料電池10とパワーコンディショナ20との接続状態が逆接続であるか否かを判定する。
具体的には、燃料電池10が正常に接続されている場合には、逆流防止ダイオード32の順方向に電流が流れるため、突入電流防止抵抗31には、電流が流れる。そのため、入力ライン61に流れる電流について、電流検出部33により電流値が検出される。この場合には、判定部51は、燃料電池10が逆接続でない(正常接続である)と判定する。
また、燃料電池10が逆に接続されている場合には、逆流防止ダイオード32が逆方向に接続されているため、突入電流防止抵抗31には、電流が流れない。そのため、入力ライン61に流れる電流について、電流検出部33により電流値が検出されない。この場合には、判定部51は、燃料電池10が逆接続であると判定する。
制御部50は、第2スイッチ部42がオフ(逆接続防止回路30の非短絡状態)であり、且つ、第1スイッチ部41がオフ(直流電流の非供給状態)からオン(直流電流の供給状態)に切り換えられた場合に、判定部51により燃料電池10とパワーコンディショナ20との接続状態が逆接続でないと判定されたときに、第2スイッチ部42をオフ(逆接続防止回路30の非短絡状態)からオン(逆接続防止回路30の短絡状態)に切り換えるように制御する。
制御部50は、第2スイッチ部42がオフ(逆接続防止回路30の非短絡状態)であり、且つ、第1スイッチ部41がオフ(直流電流の非供給状態)からオン(直流電流の供給状態)に切り換えられた場合に、判定部51により燃料電池10とパワーコンディショナ20との接続状態が逆接続であると判定されたときに、エラー信号を出力するように制御する。この場合に、制御部50は、エラー信号の出力に基づいて、例えば、外部に燃料電池10の逆接続を報知したり、スタンバイ状態に移行するように制御することができる。
次に、燃料電池10とパワーコンディショナ20とが、正常に接続された場合及び逆に接続された場合の動作について説明する。図2は、本発明の燃料電池システム1において、燃料電池10が正常に接続された場合の状態を示す図であり、(a)は第1スイッチ部41を閉じた場合を示す図であり、(b)は第2スイッチ部42を閉じた場合を示す図である。図3は、本発明の燃料電池システム1において、燃料電池10が逆に接続された場合の状態を示す図であり、第1スイッチ部41を閉じた場合を示す図である。
まず、燃料電池10とパワーコンディショナ20とが、正常に接続された場合について説明する。燃料電池10とパワーコンディショナ20とを接続する前の状態において、図1に示すように、まず、第1スイッチ部41をオフ(直流電流の非供給状態)とし、且つ、第2スイッチ部42をオフ(逆接続防止回路30の非短絡状態)とする。
図2(a)に示すように、燃料電池10とパワーコンディショナ20とが、正常に接続された場合において、第1スイッチ部41がオフ(直流電流の非供給状態)からオン(直流電流の供給状態)に切り換えられたときには、入力ライン61には、逆流防止ダイオード32において順方向に電流が流れる。ここで、入力ライン61には、突入電流防止抵抗31が設けられているため、パワーコンディショナ20側への突入電流が低減される。
次に、制御部50は、判定部51により電流検出部33が電流値を検出したことが判定されることで、第2スイッチ部42をオフ(逆接続防止回路30の非短絡状態)からオン(逆接続防止回路30の短絡状態)になるように制御する。これにより、図2(b)に示すように、突入電流防止抵抗31及び逆流防止ダイオード32は、入力ライン61において短絡される。よって、燃料電池10から出力される電流は、突入電流防止抵抗31及び逆流防止ダイオード32を迂回して、第2スイッチ部42側を通り、パワーコンディショナ20に供給される。従って、燃料電池10から出力される電流が逆流防止ダイオード32を迂回するため、逆流防止ダイオード32の電圧降下による電力損失を抑制することができる。
次に、燃料電池10とパワーコンディショナ20とが、逆に接続された場合について説明する。燃料電池10とパワーコンディショナ20とを接続する前の状態において、図1に示すように、まず、第1スイッチ部41をオフ(直流電流の非供給状態)とし、且つ、第2スイッチ部42をオフ(逆接続防止回路30の非短絡状態)とする。
図3に示すように、燃料電池10とパワーコンディショナ20とが、逆に接続された場合において、第1スイッチ部41がオフ(直流電流の非供給状態)からオン(直流電流の供給状態)に切り換えられたときには、入力ライン61には、逆流防止ダイオード32において逆方向に電流が流れようとする。しかし、逆流防止ダイオード32は、入力ライン61において、逆方向に接続されている。そのため、入力ライン61には、逆流防止ダイオード32において電流が流れない。そして、判定部51により電流検出部33が電流値を検出しないと判定されて、制御部50は、エラー信号を出力する。これにより、制御部50は、エラー信号に基づいて、例えば、外部に燃料電池10の逆接続を音や表示で報知したり、スタンバイ状態に移行するように制御することができる。
本実施形態の燃料電池システム1によれば、例えば、以下の効果が奏される。
本実施形態の燃料電池システム1は、燃料電池10と、パワーコンディショナ20と、燃料電池10とパワーコンディショナ20とを接続する入力ライン61と、入力ライン61に設けられ逆流防止ダイオード32を有する逆接続防止回路30と、燃料電池10からパワーコンディショナ20に直流電流を供給する供給状態又は供給しない非供給状態を切り換える第1スイッチ部41と、逆接続防止回路30を短絡する短絡状態又は短絡しない非短絡状態を切り換える第2スイッチ部42と、燃料電池10とパワーコンディショナ20との接続状態が逆接続であるか否かを判定する判定部51と、第2スイッチ部42が非短絡状態であり、且つ、第1スイッチ部41が直流電流の非供給状態から供給状態に切り換えられた場合に、判定部51により燃料電池10とパワーコンディショナ20との接続状態が逆接続であると判定されたときに、エラー信号を出力するように制御すると共に、判定部51により燃料電池10とパワーコンディショナ20との接続状態が逆接続でないと判定されたときに、第2スイッチ部42を逆接続防止回路30の非短絡状態から短絡状態に切り換えるように制御する制御部50と、を備える。
そのため、燃料電池10とパワーコンディショナ20とが正常に接続された場合に、第2スイッチ部42がオン(逆接続防止回路30の短絡状態)とされて、逆流防止ダイオード32が短絡される。そのため、逆流防止ダイオード32による電力の損失を抑制することができる。
更に、燃料電池10とパワーコンディショナ20とが逆に接続された場合に、逆流防止ダイオード32は、入力ライン61において、逆方向に接続されているため、電流が流れない。そして、判定部51により逆接続であると判定されて、エラー信号を出力することができる。これにより、このエラー信号に基づいて、例えば、外部に燃料電池10の逆接続を音や表示で報知したり、スタンバイ状態に移行するように制御することができる。
また、本実施形態においては、逆接続防止回路30は、入力ライン61において逆流防止ダイオード32よりも燃料電池10の側に設けられ、逆流防止ダイオード32と直列接続される突入電流防止抵抗31を有する。これにより、突入電流防止抵抗31は、燃料電池10とパワーコンディショナ20とが正常に接続された場合に、燃料電池10からパワーコンディショナ20側へ流れる突入電流の大きさを低減することができる。よって、パワーコンディショナ20の破壊を抑制することができる。
以上、好適な実施形態について説明したが、本発明は、前述した実施形態に限定されることなく、種々の形態で実施することができる。
例えば、燃料電池10は、SOFCにより構成されていたが、SOFCに限定されない。例えば、PEFC(固体高分子形燃料電池)等を用いてもよい。
1 燃料電池システム
10 燃料電池
20 パワーコンディショナ
21 DC/DCコンバータ(コンバータ部)
22 系統連系インバータ(インバータ部)
30 逆接続防止回路
31 突入電流防止抵抗(抵抗)
32 逆流防止ダイオード(ダイオード)
41 第1スイッチ部
42 第2スイッチ部
50 制御部
51 判定部
61 入力ライン(電源ライン)
A アノード
K カソード

Claims (2)

  1. 燃料電池と、
    前記燃料電池から出力される直流電圧を所定の直流電圧に変換するコンバータ部と、前記コンバータ部から出力される直流電圧を交流電圧に変換するインバータ部と、を有するパワーコンディショナと、
    前記燃料電池と前記パワーコンディショナとを接続する電源ラインと、
    前記電源ラインに設けられる逆接続防止回路であって、前記燃料電池の側にアノードが接続され且つ前記パワーコンディショナの側にカソードが接続されるダイオードを有する逆接続防止回路と、
    前記電源ラインにおける前記逆接続防止回路よりも前記燃料電池の側に設けられ、前記燃料電池から前記パワーコンディショナに直流電流を供給する供給状態又は供給しない非供給状態を切り換える第1スイッチ部と、
    前記逆接続防止回路に並列に設けられ、前記逆接続防止回路を短絡する短絡状態又は短絡しない非短絡状態を切り換える第2スイッチ部と、
    前記燃料電池と前記パワーコンディショナとの接続状態が逆接続であるか否かを判定する判定部と、
    前記第2スイッチ部が前記非短絡状態であり、且つ、前記第1スイッチ部が前記非供給状態から前記供給状態に切り換えられた場合に、前記判定部により前記燃料電池と前記パワーコンディショナとの接続状態が逆接続であると判定されたときに、エラー信号を出力するように制御すると共に、前記判定部により前記燃料電池と前記パワーコンディショナとの接続状態が逆接続でないと判定されたときに、前記第2スイッチ部を前記非短絡状態から前記短絡状態に切り換えるように制御する制御部と、を備える
    燃料電池システム。
  2. 前記逆接続防止回路は、前記電源ラインにおいて前記ダイオードよりも前記燃料電池の側に設けられ前記ダイオードと直列接続される突入電流防止用の抵抗を有する
    請求項1に記載の燃料電池システム。
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