JP2006032128A - 燃料電池システムの故障診断制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】商用電源での交流電力を直流電力に変換し、直流交流変換手段に入力して、交流出力することにより、直流交流変換手段での故障診断を、燃料電池による発電以前に行うことができる燃料電池システムの故障診断制御装置を提供する。
【解決手段】燃料電池１１と、商用電源に接続され、燃料電池からの直流電力を交流電力に変換し、商用電源とともに家庭内負荷１３に交流電力を供給する直流交流変換手段１２と、起動から発電までの一連の動作を制御する運転制御手段１５と、商用電源より直流電力をつくる交流直流変換手段１４を備え、運転制御手段１５は、燃料電池１１による発電以前に、交流直流変換手段１４により得られた直流電力を直流交流変換手段１２により交流電力に変換して、直流交流変換手段１２での故障診断をすることにより、経済的で安全な発電制御を行うことができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池を用いて発電を行う燃料電池システムの故障診断制御装置に関するものである。

従来の燃料電池システムの故障診断制御装置としては、燃料ガス供給源と燃料電池本体を連通する燃料ガス供給配管に設けた開閉弁を故障診断する燃料電池システムがあった。（例えば、特許文献１参照）。図７は、前記特許文献１に記載された従来の燃料電池システムの故障診断制御装置を示すものである。

図７において、燃料ガス供給源１と燃料電池本体６の間の燃料ガス供給配管４に第１開閉弁２と第２開閉弁３を設け、前記開閉弁の間に燃料ガスの圧力を検出するガスセンサ５を設ける。起動時において、制御部７による制御により、第１、第２開閉弁２，３が閉弁された状態において、ガスセンサ５により第１開閉弁の故障診断を行い、続いて第１開閉弁を開弁した後閉弁し、ガスセンサ５により第２開閉弁の故障診断を行う。
特開平０９−０２２７１１号公報

しかしながら、前記従来の構成では、燃料ガス供給源と燃料電池本体との間の部品の故障診断であり、燃料電池より後段の故障診断ではないという課題を有していた。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、燃料電池より後段、つまり直流交流変換手段の故障診断を行い、しかも燃料電池による発電以前に故障診断を行うことを目的とする。

前記従来の課題を解決するために、本発明の燃料電池システムの故障診断制御装置は、交流直流変換手段により商用電源から直流電流をつくることにより直流交流変換手段での故障診断を行うものである。

本構成によって、燃料電池による発電以前に、燃料電池より後段の直流交流変換手段での故障診断を行うことができる。

本発明の燃料電池システムの故障診断制御装置によれば、燃料電池より後段の直流交流変換手段での故障診断を、燃料電池による発電以前に行うことが可能となる。

第１の発明は、燃料電池と、商用電源に接続され、燃料電池からの直流電力を交流電力に変換し、商用電源とともに家庭内負荷に交流電力を供給する直流交流変換手段と、起動から発電までの一連の動作を制御する運転制御手段と、商用電源より直流電力をつくる交流直流変換手段を備え、運転制御手段は、燃料電池による発電以前に、交流直流変換手段により得られた直流電力を直流交流変換手段により交流電力に変換することにより、直流交流変換手段の故障診断をすることにより、燃料電池による発電を待たずに、起動直後でも直流交流変換手段の内部回路の、電力変換部である主回路およびドライバ部やセンサ部である制御回路の故障診断をすることができ、故障していた場合には起動継続せずに異常検出でき、発電までの起動エネルギーを無駄にすることがなくなる。

第２の発明は、特に第１の発明の運転制御手段は、交流直流変換手段にて燃料電池の電圧・電流特性と同等の直流電力を出力することにより、燃料電池による発電以前でも実際の燃料電池からの電圧・電流特性を全領域にわたり模擬しているので、ワンポイント出力ではなく、発電出力の全領域にわたって、直流交流変換手段の動作チェックを行うことができるので、より正確に診断が可能となる。

第３の発明は、特に第１の発明の運転制御手段は、交流直流変換手段にて燃料電池の電圧・電流特性の上・下限外の直流電力を出力し、異常検出の有無を確認することにより、燃料電池による発電以前でも、燃料電池での電源低下や電圧上昇等の発電不良状態を実際に再現し、異常検出回路での異常検出の有無を事前に確認することができるようになる。

第４の発明は、特に第１の発明の運転制御手段は、燃料電池による発電以前に、交流直流変換手段により得られた直流電力を直流交流変換手段により交流電力に変換し、直流交流変換手段の出力端での異常発生の有無を確認することにより、燃料電池による発電以前でも、直流交流変換手段の出力端において、交流電力出力による出力電流異常や線間過電圧異常を事前に確認することができ、出力端での異常が確認されれば起動継続せずに停止し、発電までの起動エネルギーを無駄にすることがなくなる。

第５の発明は、特に第１の発明の燃料電池システムの故障診断制御装置に加え、商用電源異常発生手段を備え、運転制御手段は、燃料電池による発電以前に、交流直流変換手段により得られた直流電力を直流交流変換手段により交流電力に変換し、商用電源異常発生手段により発生された異常状態を、商用電源に接続された交流直流変換手段にて検出可能かどうかを確認することにより、燃料電池による発電以前でも、異常検出回路において、商用電源での異常、つまり過電圧、不足電圧や周波数上昇、周波数低下および停電等の異常を検出できるかどうかを確認でき、異常検出できない場合は停止して、発電までの起動エネルギーを無駄にすることがなくなる。

第６の発明は、特に第１の発明の運転制御手段は、燃料電池による発電以前に、交流直流変換手段により得られた直流電力を直流交流変換手段により交流電力に変換し、直流交流変換手段との間の信号線または通信線での異常の有無を確認することにより、燃料電池による発電以前でも、直流交流変換手段への接点信号や通信線での異常を事前に確認することができるようになり、異常であった場合は停止して、発電までの起動エネルギーを無駄にすることがなくなる。

第７の発明は、特に第１の発明の運転制御手段は、燃料電池による発電以前に、交流直流変換手段により得られた直流電力を直流交流変換手段により交流電力に変換し、直流交流変換手段との間の信号線または通信線に異常状態を発生させ、異常検出可能かどうかを確認することにより、燃料電池による発電以前でも、直流交流変換手段への接点信号や通信線での異常を、異常検出回路において検出できるかどうかを確認でき、異常検出できない場合は停止して、発電までの起動エネルギーを無駄にすることがなくなる。

第８の発明は、特に第１〜第７のいずれか１つの発明の燃料電池システムの故障診断制御装置に加え、報知手段を備え、運転制御手段は、燃料電池による発電以前に、検出された異常状態を異常報知手段にて報知することにより、燃料電池による発電以前の起動直後でも、事前に各種の異常を報知できるようになり、使用者に早急に異常内容を知らせることができるようになる。

以下本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。

（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態１における燃料電池システムの故障診断制御装置の構成図である。

図１において、都市ガスのようなメタン等の炭化水素を含む燃料を原料として燃料電池１１で発電が行われる。直流交流変換手段１２は商用電源に接続され、燃料電池１１からの直流電力を交流電力に変換し、商用電源とともに家庭内負荷１３に交流電力を供給する。また交流直流変換手段１４も商用電源に接続され、商用電源からの交流電力を直流電力に変換し、直流交流変換手段１２に直流電力を供給する。運転制御手段１５は燃料電池の起動から発電までの一連の動作を制御するものである。

ここで、運転制御手段１５は、燃料電池１１による発電以前の起動時に、交流直流変換手段１４により商用電源からの交流電力を直流電力に変換する。変換された直流電力を直流交流変換手段１２に入力して、交流電力に変換し出力される。この一連の制御において、直流交流変換手段１２の内部回路の故障診断が行われる。

直流交流変換手段１２の内部回路は、図２の構成図に示すように、電力変換回路部の主回路１２ａとドライバ回路やセンサ回路部等の制御回路１２ｂに大きく分類構成される。主回路１２ａは入力側から順に主として、ＩＧＢＴ等のスイッチング素子で構成されるＤＣ−ＤＣコンバータブリッジ回路１２ａ−１、ダイオード等で構成される整流回路１２ａ−２、ＩＧＢＴ等のスイッチング素子で構成されるインバータブリッジ回路１２ａ−３、そして出力電流制御回路１２ａ−４で構成される。また制御回路１２ｂは、主として主回路１２ａでのセンサやドライバ回路から構成され、入力側から順に、入力電圧センサ回路１２ｂ−１、コンバータドライバ回路１２ｂ−２、コンバータ出力電圧センサ回路１２ｂ−３、インバータドライバ回路１２ｂ−４、カレントトランス等で構成される出力電流センサ回路１２ｂ−５、系統電圧センサ回路１２ｂ−６で構成される。

以上の主回路１２ａおよび制御回路１２ｂでの回路動作が、燃料電池１１による発電以前に、商用電源の交流電力から得られた直流電力をもとに、模擬的に、しかも短時間に、ここでは１秒以内に行われるものである。

ここで図３のフローチャートを使って説明する。

ステップ１において運転制御手段１５は、燃料電池システムを起動させる。ステップ２において、燃料電池１１による発電前と判断された場合は、ステップ３において交流直流変換手段１４により商用電源での交流電力から直流電力を生成する。次にステップ４において、その直流電力を直流交流変換手段１２に入力して、ステップ５においてその直流電力をもとに直流交流変換手段１２の内部回路の動作チェックを行う。そしてステップ６において運転制御手段１５は、内部回路が異常であると判断された場合は、ステップ７において、燃料電池システムを停止し、ステップ８において異常表示するものである。

かかる構成によれば、燃料電池による発電を待たずに、起動直後でも直流交流変換手段の内部回路の、電力変換部である主回路およびドライバ部やセンサ部である制御回路の故障診断をすることができ、故障していた場合には起動継続せずに異常検出でき、発電までの起動エネルギーを無駄にすることがなくなる。

また、運転制御手段１５は、交流直流変換手段１４にて燃料電池１１の電圧・電流特性と同等の直流電力を出力するものである。

図４の燃料電池１１の電圧・電流特性図において、横軸は直流電流Ｉ、縦軸は直流電圧Ｖを示す。Ａ点は負荷が接続されていない状態でのオープン電圧（Ｖｏｃ）を示す。ここでは６０Ｖｄｃ。Ｂ点は負荷短絡時の電流（Ｉｓｃ）を示す。ここでは４０Ａｄｃ。Ｃ点は燃料電池システムが定格出力される時の電圧、電流を示す。ここでは電圧値４０Ｖｄｃ、電流値３０Ａｄｃである。つまり燃料電池１１での通常発電時の出力領域は、Ａ点とＣ点との間を動作領域とするものであるので、交流直流変換手段１４にてこれと同等の電圧・電流特性が生成され、直流交流変換手段１２においてその全領域にわたって回路動作チェックが行われることになる。

かかる構成によれば、燃料電池による発電以前でも実際の燃料電池からの電圧・電流特性を全領域にわたり模擬しているので、ワンポイント出力ではなく、発電出力の全領域にわたって、直流交流変換手段の動作チェックを行うことができるので、より正確に診断が可能となる。

また、運転制御手段１５は、交流直流変換手段１４にて燃料電池１１の電圧・電流特性の上・下限外の直流電力を出力し、異常検出の有無を確認するものである。

図４の燃料電池１１の電圧・電流特性図において、Ｅ点は電圧の上限値（Ｖｈｉｇｈ）を示す。ここでは８０Ｖｄｃ．またＦ点は電圧の下限値（Ｖｌｏｗ）を示す。ここでは３０Ｖｄｃである。運転制御手段１５は、交流直流変換手段１４にてＥ点の電圧の上限値より大きい電圧を生成する。またＦ点は電圧の下限値より小さい電圧を生成する。

Ｅ点の電圧の上限値より大きい電圧は、燃料電池１１の各セルでの過電圧を意味し、直流交流変換手段１２の図２でのＤＣ−ＤＣコンバータブリッジ回路１２ａ−１でのＩＧＢＴ等のスイッチング素子の耐圧以上であり、素子の破壊等の故障原因となる。またＦ点の電圧の下限値より小さい電圧は、燃料電池１１の各セルでの低電圧、つまりセルの劣化を意味し、図２でのＤＣ−ＤＣコンバータブリッジ回路１２ａ−１にて、所定の直流電圧（ここでは３５０Ｖ）を生成できなくなり、ひいては所定の交流電圧を出力できなくなる。

この上限・下限値外の電圧を、直流交流変換手段１２に入力して、図２の内部回路中の入力電圧センサ回路１２ｂ−１において、異常検出するかどうかをチェックするものである。

かかる構成によれば、燃料電池による発電以前でも、燃料電池での電源低下や電圧上昇等の発電不良状態を実際に再現し、異常検出回路での異常検出の有無を事前に確認することができるようになる。

また、運転制御手段１５は、燃料電池１１による発電以前に、交流直流変換手段１４により得られた直流電力を直流交流変換手段１２により交流電力に変換し、直流交流変換手段１２の出力端での異常発生の有無を確認するものである。

運転制御手段１５は、燃料電池１１による発電以前の起動時に、交流直流変換手段１４により商用電源からの交流電力を直流電力に変換し、変換された直流電力を直流交流変換手段１２に入力して、交流電力に変換される。この一連の制御中に、図２における直流交流変換手段１２の内部回路の出力電流制御回路１２ａ−４の出力端での異常の有無をチェックする。つまり出力電流センサ回路１２ｂ−５において、出力電流異常、ここでは９Ａｒｍｓ以上あるいは１３Ａｐｅａｋ以上の電流を０．５秒以下で検出する。また系統電圧センサ回路１２ｂ−６において、線間過電圧異常、ここでは１２０Ｖｒｍｓ以上を０．５秒以下で検出。あるいは２５０Ｖｐｅａｋ以上を５０ｍ秒以下で検出するものである。

以上のように直流交流変換手段１２の交流出力端での異常発生の有無を、燃料電池１１による発電以前に、交流電力から得られた直流電力をもとに、模擬的に、しかも短時間に行われるものである。

かかる構成によれば、燃料電池による発電以前でも、直流交流変換手段の出力端において、交流電力出力による出力電流異常や線間過電圧異常を事前に確認することができ、出力端での異常が確認されれば起動継続せずに停止し、発電までの起動エネルギーを無駄にすることがなくなる。

（実施の形態２）
図５は本発明の実施の形態２における燃料電池システムの故障診断制御装置の構成図である。図５において図１と同じ構成要素については同一符号を用い、説明を省略する。
図５において、商用電源異常発生手段１６は商用電源での異常状態、例えば系統電圧の単相３線であるＵ相、Ｏ相、Ｗ相のうちの両端の相であるＵ相およびＷ相での過電圧、不足電圧、周波数上昇、周波数低下の状態、さらに停電等の異常状態を擬似的に発生させるものである。

運転制御手段１５は、燃料電池１１による発電以前に、交流直流変換手段１４により得られた直流電力を直流交流変換手段１２により交流電力に変換し、商用電源異常発生手段１６により発生された異常状態を、商用電源に接続された直流交流変換手段１２にて検出可能かどうか確認するものである。

つまり運転制御手段１５は、燃料電池１１による発電以前の起動時に、前述した商用電源の異常状態を図２の直流交流変換手段１２の内部回路の制御回路ｂ内の系統電圧センサ回路１２ｂ−６において検出可能かどうかを、交流電力から得られた直流電力をもとに、模擬的に、しかも短時間に行われるものである。

かかる構成によれば、燃料電池による発電以前でも、異常検出回路において、商用電源での異常、つまり過電圧、不足電圧や周波数上昇、周波数低下および停電等の異常を検出できるかどうかを確認でき、異常検出できない場合は停止して、発電までの起動エネルギーを無駄にすることがなくなる。

また、運転制御手段１５は、燃料電池１１による発電以前に、交流直流変換手段１４により得られた直流電力を直流交流変換手段１２により交流電力に変換し、直流交流変換手段１２との間の信号線または通信線での異常の有無を確認するものである。

運転制御手段１５は、直流交流変換手段１２との間で、種々のデータのやりとりを行う。例えば、燃料電池１１からの直流電力の入力を入／切する接点ＯＮ／ＯＦＦ信号、直流交流変換手段１２での発電状態信号、出力電力指令信号、直流電流リミッタ信号、出力電力値、入力電圧値、および入力電流値等のデータを信号線または通信線にてやりとりを行っている。

つまり運転制御手段１５は、燃料電池１１による発電以前の起動時に、交流電力から得られた直流電力をもとに、模擬的に、しかも短時間に発電して、発電中の直流交流変換手段１２との間での種々のデータのやりとりでの異常発生の有無を事前に確認できるものである。

かかる構成によれば、燃料電池による発電以前でも、直流交流変換手段への接点信号や通信線での異常を事前に確認することができるようになり、異常であった場合は停止して、発電までの起動エネルギーを無駄にすることがなくなる。

また、運転制御手段１５は、燃料電池１１による発電以前に、交流直流変換手段１４により得られた直流電力を直流交流変換手段１２により交流電力に変換し、直流交流変換手段１２との間の信号線または通信線に異常状態を発生させ、異常検出可能かどうかを確認するものである。

ここでは、運転制御手段１５は、直流交流変換手段１２への信号を発信後、一定時間以内に逆に直流交流変換手段１２からの信号を受信しなければ通信異常としている。また燃料電池１１からの直流電力の入力を入／切する接点ＯＮ／ＯＦＦ信号を、直流交流変換手段１２に発信後に、直流交流変換手段１２からの受信信号が、接点のＯＮ／ＯＦＦ状態に反映されていなければ異常としている。

このように、運転制御手段１５は、燃料電池１１による発電以前の起動時に、交流直流変換手段１４により交流電力から得られた直流電力をもとに、模擬的に、しかも短時間に発電して、発電中の直流交流変換手段１２との間での信号のやりとりに異常状態を発生させ、異常検出可能かどうかを確認するものである。

かかる構成によれば、燃料電池による発電以前でも、直流交流変換手段への接点信号や通信線での異常を、異常検出回路において検出できるかどうかを確認でき、異常検出できない場合は停止して、発電までの起動エネルギーを無駄にすることがなくなる。

（実施の形態３）
図６は本発明の実施の形態３における燃料電池システムの故障診断制御装置の構成図である。図６において図１または図５と同じ構成要素については同一符号を用い、説明を省略する。

図６において、異常報知手段１７は検出した異常状態を報知するもので、文字や数字、絵文字、シンボル図、音声、通信手段等にて報知するものである。表示素子としては、操作リモコンの液晶表示やＬＥＤ表示あるいは蛍光表示管等を利用してもよい。

運転制御手段１５は、燃料電池１１による発電以前に、検出された異常状態を異常報知手段１７にて報知するものである。

運転制御手段１５は、異常報知手段１７において前述した直流交流変換手段１２の入出力および内部回路での異常を表示する。

ここでは直流入力電圧低下、直流入力電圧上昇、出力電流異常、線間過電圧異常、Ｕ相およびＷ相での過電圧、不足電圧、周波数上昇、周波数低下、停電検出、信号線または通信線の異常、および直流交流変換手段１２の内部回路での異常等である。

かかる構成によれば、燃料電池による発電以前の起動直後でも、事前に各種の異常を報知できるようになり、使用者に早急に異常内容を知らせることができるようになる。

本発明の燃料電池システムの故障診断制御装置は、燃料電池より後段の直流交流変換手段での故障診断を、燃料電池による発電以前に行うことができるものであり、燃料電池を用いて経済的で安全な発電が行われるのに有用である。これはまた他の電池や動力源を用いた発電システムにも応用が可能である。

本発明の実施の形態１における燃料電池システムの故障診断制御装置の構成図 同システムの故障診断制御装置の直流交流変換手段の内部回路の構成図 同システムの故障診断制御装置のフローチャート 同システムの故障診断制御装置の燃料電池の電圧・電流特性図 本発明の実施の形態２における燃料電池システムの故障診断制御装置の構成図 本発明の実施の形態３における燃料電池システムの故障診断制御装置の構成図 従来の燃料電池システムの故障診断制御装置の構成図

符号の説明

１１ 燃料電池
１２ 直流交流変換手段
１３ 家庭内負荷
１４ 交流直流変換手段
１５ 運転制御手段
１６ 商用電源異常発生手段
１７ 異常報知手段

Claims (8)

1. 燃料電池と、商用電源に接続され、燃料電池からの直流電力を交流電力に変換し、商用電源とともに家庭内負荷に交流電力を供給する直流交流変換手段と、燃料電池の起動から発電までの一連の動作を制御する運転制御手段と、商用電源より直流電力をつくる交流直流変換手段を備え、前記運転制御手段は、前記燃料電池による発電以前に、前記交流直流変換手段により得られた直流電力を前記直流交流変換手段により交流電力に変換することにより、前記直流交流変換手段の故障診断をすることを特徴とする燃料電池システムの故障診断制御装置。
2. 運転制御手段は、交流直流変換手段にて燃料電池の電圧・電流特性と同等の直流電力を出力することを特徴とする請求項１記載の燃料電池システムの故障診断制御装置。
3. 運転制御手段は、交流直流変換手段にて燃料電池の電圧・電流特性の上・下限外の直流電力を出力し、異常検出の有無を確認することを特徴とする請求項１記載の燃料電池システムの故障診断制御装置。
4. 運転制御手段は、燃料電池による発電以前に、交流直流変換手段により得られた直流電力を直流交流変換手段により交流電力に変換し、前記直流交流変換手段の出力端での異常発生の有無を確認することを特徴とする請求項１記載の燃料電池システムの故障診断制御装置。
5. 商用電源での異常状態を発生させる商用電源異常発生手段を備え、運転制御手段は、燃料電池による発電以前に、交流直流変換手段により得られた直流電力を直流交流変換手段により交流電力に変換し、前記商用電源異常発生手段により発生された異常状態を、商用電源に接続された前記交流直流変換手段にて検出可能かどうかを確認することを特徴とする請求項１記載の燃料電池システムの故障診断制御装置。
6. 運転制御手段は、燃料電池による発電以前に、交流直流変換手段により得られた直流電力を直流交流変換手段により交流電力に変換し、前記直流交流変換手段との間の信号線または通信線での異常の有無を確認することを特徴とする請求項１記載の燃料電池システムの故障診断制御装置。
7. 運転制御手段は、燃料電池による発電以前に、交流直流変換手段により得られた直流電力を直流交流変換手段により交流電力に変換し、前記直流交流変換手段との間の信号線または通信線に異常状態を発生させ、異常検出可能かどうかを確認することを特徴とする請求項１記載の燃料電池システムの故障診断制御装置。
8. 異常状態を報知する異常報知手段を備え、運転制御手段は、燃料電池による発電以前に、検出された異常状態を異常報知手段にて表示することを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の燃料電池システムの故障診断制御装置。

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