特許 6162889 燃料電池システムのインバーターと燃料電池の出力制御方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6162889

(24)【登録日】2017年6月23日

(45)【発行日】2017年7月12日

(54)【発明の名称】燃料電池システムのインバーターと燃料電池の出力制御方法

(51)【国際特許分類】

   H01M 8/04858 20160101AFI20170703BHJP

   H01M 8/00 20160101ALI20170703BHJP

   H01M 8/04 20160101ALI20170703BHJP

   H01M 8/04228 20160101ALI20170703BHJP

   H01M 8/04303 20160101ALI20170703BHJP

   H02M 7/48 20070101ALI20170703BHJP

【ＦＩ】

   H01M8/04 P

   H01M8/00 Z

   H01M8/04 Z

   H01M8/04 Y

   H02M7/48 E

【請求項の数】3

【全頁数】10

(21)【出願番号】特願2016-515255(P2016-515255)

(86)(22)【出願日】2014年5月7日

(65)【公表番号】特表2016-524283(P2016-524283A)

(43)【公表日】2016年8月12日

(86)【国際出願番号】KR2014004034

(87)【国際公開番号】WO2014189217

(87)【国際公開日】20141127

【審査請求日】2015年11月18日

(31)【優先権主張番号】10-2013-0057273

(32)【優先日】2013年5月21日

(33)【優先権主張国】KR

(73)【特許権者】

【識別番号】515015746

【氏名又は名称】キョン ドン ウォン コーポレーション

(74)【代理人】

【識別番号】100066980

【弁理士】

【氏名又は名称】森 哲也

(74)【代理人】

【識別番号】100103850

【弁理士】

【氏名又は名称】田中 秀▲てつ▼

(74)【代理人】

【識別番号】100105854

【弁理士】

【氏名又は名称】廣瀬 一

(74)【代理人】

【識別番号】100115679

【弁理士】

【氏名又は名称】山田 勇毅

(72)【発明者】

【氏名】ファン，ギェ ホ

【審査官】 武市 匡紘

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００４−１４０９０９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１０−１０８８０７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１１−１６７０００（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００１−１８６６６３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０７−３３６８９９（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｍ ８／００−８／２４

Ｈ０２Ｊ ３／００−５／００

Ｈ０２Ｍ ７／４２−７／９８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

インバーター群ごとに一連の番号ＳＷとともに、ユーティリティ周波数ｆの第１最小周波数値Ａと第１最大周波数値Ｂの範囲内で、インバーター群ごとに複数の範囲に細分化して設定した第２最小周波数値Ａ´と第２最大周波数値Ｂ´を付与する第１のステップＳ１と、
前記インバーターの一連の番号が１であるか否かを判断する第２のステップＳ２と、
前記第２のステップＳ２において、インバーターの一連の番号が１である場合、前記ユーティリティ周波数ｆが該当インバーターに設定された第２最小周波数値Ａ´と第２最大周波数値Ｂ´の範囲内であるか否かを判断する第３のステップＳ３と、
前記第３のステップＳ３において、ユーティリティ周波数ｆが、前記第２最小周波数値Ａ´と前記第２最大周波数値Ｂ´の範囲内であれば、前記インバーターを正常動作させる第４のステップＳ４と、
前記第４のステップＳ４に次いで、前記インバーターの電圧が正常範囲に属するか否かを判断する第５のステップＳ５と、
前記インバーターの電流が正常範囲に属するか否かを判断する第６のステップＳ６と、
第５のステップＳ５と第６のステップＳ６において、前記インバーターの電圧と電流が正常範囲に属すると判断されれば、前記インバーターを続けて正常動作させる第７のステップＳ７と、
前記第７のステップＳ７に次いで、ユーティリティ周波数ｆが第１最小周波数値Ａと第１最大周波数値Ｂの範囲内であるか否かを判断して、第１最小周波数値Ａと第１最大周波数値Ｂの範囲内であれば、インバーターの一連の番号を判断する第２のステップに戻る第８のステップＳ８と、
前記第３のステップＳ３において、前記ユーティリティ周波数ｆが前記第２最小周波数値Ａ´と前記第２最大周波数値Ｂ´との間でなければ、前記インバーターを待機（ｓｔａｎｄ ｂｙ）状態で動作させる第１２のステップＳ１２と、
第１２のステップＳ１２に次いで、前記インバーターの状態を確認したか否かを判断する第１３のステップＳ１３と、
第１３のステップＳ１３に次いで、所定周期ごとに前記ユーティリティ周波数が正常か否かを判断する第１４のステップＳ１４と、
第１４のステップＳ１４に次いで、前記ユーティリティ周波数ｆが前記第１最小周波数値Ａと前記第１最大周波数値Ｂとの間であるか否かを判断し、その判断結果、第１最小周波数値Ａと第１最大周波数値Ｂの範囲内であれば、インバーターの一連の番号を判断する第２のステップＳ２に戻る第１５のステップＳ１５と、を含み、
前記第２のステップＳ２において、インバーターの一連の番号が１ではなければ、インバーターの一連の番号が２であるかを判断するステップＳ９乃至インバーターの一連の番号がＮであるか判断するステップＳ２９を遂行した後、各インバーターに対応して、該当インバーターに設定された第２最小周波数値と第２最大周波数値を基準に、上記と同様のステップを繰り返し遂行する燃料電池システムのインバーターと燃料電池の出力制御方法。

【請求項2】

前記第１のステップにおいて、前記一連の番号ＳＷは、システムコントローラ内に設けられたプログラムによって前記一連の番号ＳＷを変数に変換して設定す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のインバーターと燃料電池の出力制御方法。

【請求項3】

前記第５のステップＳ５において前記電圧が正常範囲内でなければ電圧エラーを表示する第１６のステップＳ１６と、
前記第６のステップＳ６において前記電流が正常範囲内でなければ電流エラーを表示する第１７のステップＳ１７と、
前記第８のステップＳ８において前記ユーティリティ周波数が前記第１最小周波数値Ａと前記第１最大周波数値Ｂとの間でない場合は、ユーティリティ周波数エラーを表示する第１８のステップＳ１８と、
前記第１３のステップＳ１３において前記インバーターの状態を確認しなかった場合、前記第１５のステップＳ１５において前記ユーティリティ周波数が前記第１最小周波数値Ａと前記第１最大周波数値Ｂとの間でない場合、あるいは、前記第１６，１７，１８のステップＳ１６，Ｓ１７，Ｓ１８を経ている場合は、前記インバーターを停止(ｓｔｏｐ)させる第１９のステップＳ１９と、をさらに含む請求項１に記載の燃料電池システムのインバーターと燃料電池の出力制御方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、燃料電池システムのインバーターおよび燃料電池の出力制御方法に関し、より詳細には、燃料電池システム内のインバーター群からなるインバーター群ごとの出力周波数の範囲を基準値内で多数の範囲に細分化し、インバーター群ごとに設定して動作させる。インバーター群ごとの動作の際に出力周波数が不安定になると、燃料電池システム内のインバーター群ごとに細分化した範囲内でインバーターを遮断することで出力周波数を安定させ、能動的にユーティリティを保護することを目的とする燃料電池システムのインバーターおよび燃料電池出力制御方法に関する。

【背景技術】

【0002】

韓国公開特許第１０−２０１０−００３６０２２号の「燃料電池の電力制御方法及びその燃料電池システム」によると、「３台以上の燃料電池、すなわち、第１〜第３の燃料電池３０，４０，５０が備えられている。前記第１〜第３の燃料電池３０，４０，５０からそれぞれ供給された直流電源を、電力ユーティリティに供給するために、交流電源に変換する電力変換器６０が備えられる。前記電力変換器６０は、前記第１〜第３の燃料電池の出力電圧を検知する役割を果たしている。前記検知の結果、前記第１〜第３の燃料電池３０，４０，５０の出力電圧は、正常電圧、最低電圧、あるいは限界電圧のいずれであるかを判断することになる。前記第１〜第３の燃料電池３０，４０，５０がいずれも正常電圧であれば、前記第１〜第３の燃料電池３０，４０，５０の出力電力をそれぞれ均等に制御して電力ユーティリティの負荷要求電力として提供する。しかしながら、前記第１〜第３の燃料電池３０，４０，５０のうち、少なくとも一つの燃料電池の出力電圧が最低電圧であることが検知された場合は、前記第１〜第３の燃料電池３０，４０，５０は、あらかじめプログラムされた一定の出力電力を出力する。また、前記第１〜第３の燃料電池３０，４０，５０のうち、少なくとも一つの燃料電池の出力電圧が限界電圧であることが検知された場合は、前記限界電圧を出力する燃料電池から電力が出力されないように制御する。場合によっては、前記最低電圧、又は、限界電圧を出力する燃料電池の出力電力をそのまま保持し、残りの燃料電池が負荷要求電力を補って出力するように制御することもある。このような構成によると、複数の燃料電池の出力電圧の状態に応じて負荷要求電力を安定して供給することができるので、燃料電池の損傷を防止し、全体のシステム運転の効率が向上する利点がある。」と開示している。

【0003】

図１に示すように、従来技術の一例として、燃料電池システム１０は、改質器１１、燃料電池スタック１２、インバーター１３、システムコントローラ１４、配電差段器１５、ロード１６、ＭＭＩ(Ｍａｎ Ｍａｃｈｉｎｅ Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ)１７、設備（ユーティリティ：Ｕｔｉｌｉｔｙ）１８からなる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】韓国公開特許第１０−２０１０−００３６０２２号

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

しかしながら、燃料電池システムにおける出力電圧及び出力周波数が常に基準値に達しない場合は、燃料電池システムの運転開始後、一斉に運転が遮断される事態が生じてユーティリティに莫大な支障、例えば、ユーティリティの電圧やユーティリティの周波数が不安定になったり、ユーティリティがシャットダウンしたりする、という問題点が生じる。

【0006】

初期燃料電池システムのユーティリティ全体において占める比率が低いことから、このような事態は生じないが、需要が多くなると、このような事態に対して問題点を解決する必要がある。

【0007】

本発明は、上述の問題点を解決するためのものであって、燃料電池システムにおける出力電圧及び出力周波数が基準値に達しない場合は、燃料電池システムの運転開始後、一斉に運転が遮断されるという事態を防止するために、燃料電池システム内のインバーター群からなるインバーター群ごとの出力周波数の範囲を、基準値内で多数の範囲に細分化して、インバーター群ごとに設定して動作させる。ユーティリティが不安定な場合は、燃料電池システム内のインバーター群ごとに細分化した範囲内でインバーターが遮断しユーティリティを安定させるための燃料電池システムのインバーターおよび燃料電池の出力制御方法を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0008】

前記目的を達成するための本発明は、インバーター群ごとに一連の番号ＳＷとともに、ユーティリティ周波数ｆの第１最小周周波数値Ａと第１最大周波数値Ｂの範囲内でインバータ群ごとに細分化して設定した第２最小周波数値Ａ´と第２最大周波数値Ｂ´を付与する第１のステップＳ１を実行し、インバータの一連の番号が１であるか否かを判断する第２のステップＳ２と、前記第２のステップＳ２においてインバータの一連の番号が１である場合、前記ユーティリティ周波数ｆが第２最小周波数値Ａ´と第２最大周波数値Ｂ´の範囲内であるか否かを判断する第３のステップＳ３と、前記第３のステップＳ３においてユーティリティ周波数ｆが第２最小周波数値Ａ´と第２最大周波数値Ｂ´の範囲内であれば、前記インバーターを正常動作させる第４のステップＳ４と、前記第４のステップＳ４に次いで、前記インバーターの電圧が正常範囲に属するか否かを判断する第５のステップＳ５と、前記インバーターの電流が正常範囲に属するか否かを判断する第６のステップＳ６と、第５のステップＳ５と第６のステップＳ６において、前記インバーターの電圧と電流が正常範囲に属すると判断されれば、前記インバーターを続けて正常動作させる第７のステップＳ７と、前記第７のステップＳ７に次いで、ユーティリティ周波数ｆが第１最小周波数値Ａと第１最大周波数値Ｂの範囲内であるか否かを判断して、第１最小周波数Ａと第１最大周波数値Ｂの範囲内であれば、インバーターの一連の番号を判断する第２のステップＳ２に戻る第８のステップＳ８と、前記第３のステップＳ３において、ユーティリティ周波数ｆが第２最小周波数値Ａ´と第２最大周波数値Ｂ´の範囲の間ではなければ、前記インバーターを待機（ｓｔａｎｄ ｂｙ）状態で動作させる第１２のステップＳ１２と、第１２のステップＳ１２に次いで、インバーターの状態を確認したか否かを判断する第１３のステップＳ１３と、第１３のステップＳ１３に次いで、所定周期ごとにユーティリティ周波数の正常如何を判断する第１４のステップＳ１４と、第１４のステップＳ１４に次いで、ユーティリティ周波数ｆが第１最小周波数値Ａと第１最大周波数値Ｂとの間であるか否かを判断し、その判断結果が第１最小周波数値Ａと第１最大周波数値Ｂの範囲内であれば、インバーターの一連の番号を判断する第２のステップＳ２に戻る第１５のステップＳ１５と、を含み、前記第２のステップＳ２においてインバーターの一連番号が１ではなければ、インバーターの一連の番号が２であるか否かを判断するステップＳ９乃至インバーターの一連の番号がＮであるか判断するステップＳ２９を遂行した後、各インバーターに対応して上記と同様のステップを繰り返し遂行するものである。

【0009】

実施例において、前記第５のステップＳ５で電圧が正常範囲内ではなければ、電圧エラーをディスプレイする第１６のステップＳ１６と、前記第６のステップＳ６で電流が正常範囲内ではなければ、電流エラーを表示する第１７のステップＳ１７と、前記第１８のステップＳ１８でユーティリティ周波数が第１最小周波数値Ａと第１最大周波数値Ｂとの間でなければ、ユーティリティ周波数エラーを表示する第１８のステップＳ１８と、前記第１３のステップＳ１３でインバーターの状態を確認しない場合、前記第１５のステップＳ１５でユーティリティ周波数が第１最小周波数値Ａと第１最大周波数値Ｂとの間でない場合、あるいは、前記１６，１７，１８のステップＳ１６，Ｓ１７，Ｓ1８を経ている場合は、インバーターを停止(ｓｔｏｐ)させる第１９のステップＳ１９と、をさらに含むものである。

【発明の効果】

【0010】

本発明の望ましい効果によれば、新たな再生エネルギーの供給が拡大する状態にあることから、燃料電池システムの普及も拡大するものと見られるので、安定的で且つユーティリティの保護を目的とする能動的なシステムと方法を提供することができるという長所がある。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】従来の燃料電池システムの構成を示すブロック図である。

【図2】本発明に係る燃料電池システムの構成を示すブロック図である。

【図3】本発明に係る燃料電池システムの単一インバーターが設けられた場合、ユーティリティ周波数を示すグラフである。

【図4】本発明に係る燃料電池システムの複数のインバーターが設けられた場合、ユーティリティ周波数を示すグラフである。

【図5】本発明に係るインバーターと燃料電池の出力制御方法を示すフロー図である。

【発明を実施するための形態】

【0012】

以下、添付された図面を参照して本発明を詳細に説明する。
図２は、本発明に係る燃料電池システムの構成を示すブロック図であって、第１〜第ｎの燃料電池システム２０ａ，２０ｂ，２０ｎからなるが、第１の燃料電池システム２０ａに基づいて内部構成を詳細に述べる。

【0013】

空気とガスが供給され、水素ガスに改質する改質器２１と、一対のアノードとカソードを備える複数のセルが積層された燃料電池スタック２２と、直流を交流に変換するインバーター２３とが備えられる。全体燃料電池システムを制御するために、温度、ガス、空気などのパラメータを用いて燃料電池システムを制御するシステムコントローラ２４と、漏電時に配電を遮断する配電遮断器２５と、前記インバーター２３から変換された交流を外部に出力するためのユーティリティ２８とが備えられる。

【0014】

さらに、前記インバーター２３で変換された交流の直接供給を受けて消費するロード(ｌｏａｄ)２６と、前記システムコントローラ２４に連結されてユーザからの設定を入力するためのインターフェースであるＭＭＩ(Ｍａｎ Ｍａｃｈｉｎｅ Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ)２７を有する複数の燃料電池システムが備えられる。即ち、第１〜第ｎの燃料電池システム２０ａ、２０ｎが備えられる。

【0015】

また、燃料電池システム内のシステムコントローラ２４とインバーター２３内のコンバータコントローラが備えられ、システムコントローラ２４は燃料電池システム２０ａを、コンバータコントローラはインバーター２３をそれぞれ制御する。

【0016】

システムコントローラ２４とコンバータコントローラとが連結されており、システムコントローラ２４およびコンバータコントローラは、ユーティリティ周波数の範囲を設定するハードウェアまたはソフトウェアに変更可能に構成される。

【0017】

また、前記システムコントローラ２４とコンバータコントローラは、互いのユーティリテ ィ周波数の範囲、ユーティリティ電圧などのパラメータを互いに共有し、インバーターが能動的に動作できるようにする。

【0018】

この場合、前記ユーティリティ周波数の範囲が、第１最小周波数値Ａと第１最大周波数値Ｂとからなる基準範囲内で、インバーター群ごとに設定されたユーティリティ周波数の範囲(第２最小周波数値Ａ´と第２最大周波数値Ｂ´との間）内にある場合は、インバーター２３は動作するが、設定されたユーティリティ周波数の範囲外にある場合は、インバーター２３はユーティリティと遮断状態となる。遮断されたインバーター２３は、待機状態となってユーティリティ周波数を周期ごとに確認し、更に設定されたユーティリティ周波数の範囲内にあれば、改めてユーティリティ２８と連結して安定的にユーティリティを保護し、ユーティリティ２８に対して能動的にインバーター２３と燃料電池システム２８ａとが動作するように制御される。

【0019】

図３に示すように、建物内に１つのインバーターがある場合と、図４のように建物内に２つのインバーターがある場合とを例に挙げる。最初の周波数値Ａと最大周波数Ｂとの間にユーティリティ周波数ｆを設定する。インバーター内のプログラムに周波数範囲を設定してプログラミングを実行し、インバーター群ごとに動作範囲、すなわち、インバーター郡ごとに設定されたユーティリティ周波数の範囲である第２最小周波数値Ａ´と第２最大周波数値Ｂ´の範囲を設定し、ユーティリティとの接続を遮断する。ユーティリティ周波数が一定に維持されれば、再び接続して周波数の変動と推移を確認し、直ちに供給を再開するように構成される。

【0020】

本発明に係るインバーターと燃料電池の出力制御方法を、図５に示す。
インバーター群ごとに一連の番号ＳＷとともに、ユーティリティ周波数ｆの第１最小周波数値Ａと第１最大周波数値Ｂの範囲内で、インバーター群ごとに細分化して設定した第２最小周波数値Ａ´と第２最大周波数値Ｂ´を付与する第１のステップＳ１を実行する。ここで、一連の番号はシステムコントローラ内に設けられたプログラムによりこの一連の番号ＳＷを変数に変換して設定するように構成される。

【0021】

次いで、インバーターの一連の番号が１であるか否かを判断する第２のステップＳ２を実行する。前記第２のステップＳ２で一連の番号が１であるインバーターと判断される場合、前記ユーティリティ周波数ｆが第２最小周波数値Ａ´と第２最大周波数値Ｂ´の範囲内であるか否かを判断する第３のステップＳ３を実行し、前記第３のステップＳ３でユーティリティｆが前記インバーターの第２最小周波数値Ａ´と第２最大周波数値Ｂ´の範囲内であれば、前記インバーターを正常動作させる第４のステップＳ４を遂行する。

【0022】

前記インバーターの電圧が正常範囲に属するか否かを判断する第５のステップＳ５を実行し、同時に前記インバーターの電流が正常範囲に属するか否かを判断する第６のステップＳ６を実行し、前記第５のステップＳ５と第６のステップＳ６で前記インバーターの電圧と電流が正常範囲に属すると判断されれば、インバーターを続けて正常動作させる第７のステップＳ７を実行する。

【0023】

前記ユーティリティ周波数ｆが、第１最小周波数値Ａと第１最大周波数値Ｂの範囲内であるか否かを判断する第８のステップＳ８を実行し、第１最小周波数値Ａと第１最大周波数値Ｂの範囲内であれば、インバーターの一連の番号を判断する第２のステップＳ２に戻り、第２のステップＳ２でインバーターの一連の番号ＳＷが１でなければ、一連の番号ＳＷが２であるか否かを判断する第９のステップＳ９を実行する。

【0024】

前記第９のステップＳ９で一連の番号が２であるインバーターと判断される場合、前記と類似する方法で、ユーティリティ周波数ｆが、一連の番号が２であるインバーターについて、第１最小周波数値Ａと第１最大周波数値Ｂの範囲内でインバーター群ごとに細分化して設定した第３最小周波数値Ａ″と第３最大周波数値Ｂ″との範囲内であるか否かを判断する第１０のステップＳ１０を実行し、前記インバーターでユーティリティ周波数ｆが、第３最小周波数値Ａ″と第３最大周波数値Ｂ″の範囲内にあれば、該当インバーターを正常動作させる第１１のステップＳ１１を実行する。

【0025】

前記第３のステップＳ３において、ユーティリティ周波数ｆが第２最小周波数値Ａ´と第２最大周波数値Ｂ´の間でなければ、該当インバーターを待機（ｓｔａｎｄ ｂｙ）状態で動作させる第１２のステップＳ１２を実行し、インバーターの状態を確認したか否かを判断する第１３のステップＳ１３を実行する。

【0026】

所定周期ごとにユーティリティ周波数が正常か否かを判断する第１４のステップＳ１４を実行し、ユーティリティ周波数ｆが第１最小周波数値Ａと第１最大周波数値Ｂとの間であるか否かを判断する第１５のステップＳ１５を実行する。

【0027】

前記第５のステップＳ５において、前記インバーターの電圧が正常範囲内でなければ電圧エラーを表示する第１６のステップＳ１６と、前記第６のステップＳ６において、インバーターの電流が正常範囲内でなければ電流エラーを表示する第１７のステップＳ１７と、前記第８のステップＳ８において、前記インバーターのユーティリティ周波数が第１最小周波数値Ａと第１最大周波数Ｂとの間でなければユーティリティ周波数のエラーを表示する第１８のステップＳ１８とをそれぞれ実行する。

【0028】

前記第１３のステップＳ１３においてインバーターの状態を確認しなかった場合、前記第１５のステップＳ１５においてユーティリティ周波数が第１最小周波数値Ａと第１最大周波数値Ｂとの間でない場合、あるいは、前記第１６，１７，１８のステップＳ１６，Ｓ１７，Ｓ１８を経た場合は、インバーターを停止(ｓｔｏｐ)させる第１９のステップＳ１９を実行する。

【0029】

上述のように、制御フローはインバーターごとに同様に行われるが、インバーターの一連の番号ＳＷが１であればインバーター＃１で上記のような制御フローが実行され、２であればインバーター＃２で、Ｎであればインバーター＃Ｎでそれぞれ実行される。

【符号の説明】

【0030】

２０ａ，２０ｂ，２０ｎ 第１の燃料電池システム、第２の燃料電池システム、第ｎの燃料電池システム
２１ 改質器
２２ 燃料電池スタック
２３ インバーター
２４ システムコントローラ
２５ 配電遮断器
２６ ロード
２７ ＭＭＩ
２８ ユーティリティ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】