特許 6852561 燃料電池発電装置及びその制御装置

(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】6852561

(24)【登録日】2021年3月15日

(45)【発行日】2021年3月31日

(54)【発明の名称】燃料電池発電装置及びその制御装置

(51)【国際特許分類】

   H02M 7/483 20070101AFI20210322BHJP

   H01M 8/04 20160101ALI20210322BHJP

【ＦＩ】

   H02M7/483

   H01M8/04 H

【請求項の数】7

【全頁数】13

(21)【出願番号】特願2017-100491(P2017-100491)

(22)【出願日】2017年5月22日

(65)【公開番号】特開2018-196296(P2018-196296A)

(43)【公開日】2018年12月6日

【審査請求日】2020年4月13日

(73)【特許権者】

【識別番号】000005234

【氏名又は名称】富士電機株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100091281

【弁理士】

【氏名又は名称】森田 雄一

(72)【発明者】

【氏名】藤井 幹介

【審査官】 麻生 哲朗

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１４−０３３５６５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１５−０１５７７８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１３−２３００２７（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０２Ｍ ７／４８３

Ｈ０１Ｍ ８／０４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

燃料電池と、
前記燃料電池の両極間に直列に接続された第１，第２のコンデンサからなるコンデンサ直列回路と、
前記コンデンサ直列回路の両端及び中点が直流入力側にそれぞれ接続され、半導体スイッチング素子の動作により前記両端及び中点の電位を出力可能な３レベルインバータと、
前記燃料電池と前記コンデンサ直列回路との間に接続され、半導体スイッチング素子の動作により前記第１，第２のコンデンサを充放電させるバランサと、
を備えた燃料電池発電装置において、
前記バランサを動作させることにより発生する損失によって、前記３レベルインバータから前記燃料電池へ逆流する電力を相殺することを特徴とする燃料電池発電装置。

【請求項2】

請求項１に記載した燃料電池発電装置において、
前記３レベルインバータの交流出力側を電力系統に連系させて運転する連系運転と、前記３レベルインバータの交流出力側を電力系統に連系させずに負荷に交流電力を供給する自立運転と、を選択可能であることを特徴とする燃料電池発電装置。

【請求項3】

請求項１または２に記載した燃料電池発電装置において、
前記燃料電池の出力電流の向きが発電時とは逆向きである時に、前記バランサの動作を有効とする手段を備えたことを特徴とする燃料電池発電装置。

【請求項4】

請求項１または２に記載した燃料電池発電装置において、
前記燃料電池の出力電流の向きが発電時とは逆向きである時、または、燃料電池発電装置が電力系統に連系されずに自立運転中である時、または、燃料電池発電装置の交流出力電力が一定値以下である時、もしくは、前記第１，第２のコンデンサの電圧の偏差が一定値以上である時に、前記バランサの動作を有効とする手段を備えたことを特徴とする燃料電池発電装置。

【請求項5】

請求項１〜４の何れか１項に記載した燃料電池発電装置において、
前記バランサが、
前記燃料電池の両極間に接続される第１，第２の半導体スイッチング素子の直列回路と、前記第１，第２の半導体スイッチング素子同士の接続点と前記コンデンサ直列回路の中点との間に接続されたリアクトルと、
からなることを特徴とする燃料電池発電装置。

【請求項6】

燃料電池と、
前記燃料電池の両極間に接続された第１，第２のコンデンサからなるコンデンサ直列回路と、
前記コンデンサ直列回路の両端及び中点が直流入力側にそれぞれ接続され、半導体スイッチング素子の動作により前記両端及び中点の電位を出力可能な３レベルインバータと、
前記燃料電池と前記コンデンサ直列回路との間に接続され、半導体スイッチング素子の動作により前記第１，第２のコンデンサを充放電させて前記第１，第２のコンデンサの電圧を均等化するバランサと、
を備えた燃料電池発電装置を制御するための制御装置において、
前記３レベルインバータの半導体スイッチング素子に対する駆動信号を生成するインバータ制御部と、前記バランサの半導体スイッチング素子に対する駆動信号を生成するバランサ制御部と、を有し、
前記バランサ制御部は、前記バランサを動作させて前記第１，第２のコンデンサの電圧を均等化することに加えて、前記３レベルインバータから前記燃料電池への逆流電流が流れている際に、バランサ動作を継続することを特徴とする燃料電池発電装置の制御装置。

【請求項7】

請求項６に記載した燃料電池発電装置の制御装置において、
前記インバータ制御部は、前記３レベルインバータの交流電力指令に従って電圧指令を生成する手段と、前記第１，第２のコンデンサの電圧の偏差を零にするような補正信号を生成して前記電圧指令を補正する補正手段と、を備え、
前記バランサ制御部により前記バランサを動作させている期間は、前記補正信号を無効にすることを特徴とする燃料電池発電装置の制御装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、燃料電池発電装置及びその制御装置に関し、詳しくは、負荷の急減時において燃料電池に逆電流が流れるのを防止する技術に関するものである。

【背景技術】

【0002】

図６は、特許文献１に記載された燃料電池発電装置の構成図である。
図６において、燃料電池１は、燃料電池スタック１ａ及びダイオード１ｂ，１ｃからなる直列スタックと、燃料電池スタック１ｄ及びダイオード１ｅ，１ｆからなる直列スタックとを並列に接続して構成されている。燃料電池１の両極は、開閉器２ａ，２ｂを介してインバータ３に接続され、その交流出力側は、変圧器４を介して外部の負荷に接続されている。

【0003】

この燃料電池発電装置の通常動作としては、燃料電池１により発電された直流電力をインバータ３が交流電力に変換し、変圧器４を介して負荷に供給する。
上記のように、複数の直列スタックを並列に接続して燃料電池１を構成することにより、出力電流を増加させて大容量化を図ることができる。

【0004】

ここで、燃料電池においては、発電電圧と逆極性の電圧を印加すると電気分解に近い現象が発生し、燃料電池の構成部材が劣化することが知られている。
このため、例えば、燃料電池スタック１ａ，１ｄの発電電圧に差が生じた場合や、何らかの理由によりインバータ３の直流電圧が燃料電池１の発電電圧より高くなった場合には、燃料電池スタック１ａ，１ｄに逆電圧が印加される恐れがある。そこで、図６の回路では、図示の極性でダイオード１ｂ，１ｃ，１ｅ，１ｆを接続することにより、燃料電池スタック１ａ，１ｄに対する逆電圧の印加、逆電流の流入を防止している。

【0005】

しかし、この回路構成によると、通常動作時にダイオード１ｂ，１ｃ，１ｅ，１ｆを流れる電流によって損失が発生するため、発電装置全体としての効率が悪いという問題がある。
上記の点に鑑み、特許文献２には、逆流防止用のダイオードを用いる代わりに、燃料電池とインバータとの間を流れる電流が逆電流にならないようにインバータの交流電力を制御する技術が開示されている。

【0006】

図７は、特許文献２に記載された逆流保護装置の構成図である。
図７において、燃料電池５はインバータ６を介して電力系統７に連系されており、インバータ６は、主回路部６ａとその制御部６ｂとを備えている。
インバータ６の入力電圧Ｖ_ＤＣ及び出力電圧Ｖ_ＡＣと、変流器８ａ，８ｂにより検出される入力電流Ｉ_ＤＣ及び出力電流Ｉ_ＡＣとは、逆流保護部９に入力され、この逆流保護部９の出力信号が制御部６ｂに加えられている。

【0007】

逆流保護部９には、インバータ６の交流電力指令を所定の下限値に制限するリミッタが設けられている。そして、交流電力指令が低下して電力系統７側からインバータ６を介して燃料電池５側に電力が供給される状態になると、上記リミッタの動作によりインバータ６の交流電力指令、言い換えれば入力電力が減少する。従って、特許文献１のように逆流防止用のダイオードを用いなくても、インバータ６から燃料電池５側に電流が逆流するのを防止することができる。
なお、インバータ６の交流電力指令は、直流側の制御方式（定電力制御，定電流制御，定電圧制御等）に応じて直流側の測定値（電力，電流，電圧）を各指令値にフィードバックすることにより生成している。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0008】

【特許文献1】特開平８−５０９０２号公報（図１等）

【特許文献2】特許第５０４１１９８号公報（図２〜図８等）

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0009】

さて、パワコンディショナー等の制御分野において、系統電圧の瞬低や停電等が発生した場合にも運転を継続させる系統異常時運転継続機能（ＦＲＴ：Fault Ride Through）が知られている。このＦＲＴは、インバータを介して系統に連系される燃料電池発電装置に対しても求められる機能である。

【0010】

ここで、図８は、系統の瞬低発生時に燃料電池発電装置がＦＲＴ動作した場合の系統電圧（図８（ａ））、燃料電池電圧等の直流電圧（図８（ｂ））及び直流電流（図８（ｃ））を示している。
図８（ａ）に示すように瞬低が発生した場合、ＦＲＴ動作により燃料電池が定格レベルで発電を継続すると、燃料電池から出力された電力の行き場がなくなり、この電力はインバータの直流中間回路（直流中間コンデンサ）に蓄積される。これにより、図８（ｂ）に示す如くインバータの直流中間電圧が上昇し、燃料電池セルは化学反応により徐々に開放電圧に向かって増加する。このため、結果的に、図８（ｃ）に示すように燃料電池に逆電流が流れてしまい、セル等の構成材料が劣化するという問題がある。

【0011】

そこで、本発明の解決課題は、ＦＲＴ動作等によってインバータの直流電圧が上昇した場合でも、燃料電池に逆電流が流れないようにして燃料電池を保護可能とした燃料電池発電装置及びその制御装置を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0012】

上記課題を解決するため、請求項１に係る燃料電池発電装置は、
燃料電池と、
前記燃料電池の両極間に直列に接続された第１，第２のコンデンサからなるコンデンサ直列回路と、
前記コンデンサ直列回路の両端及び中点が直流入力側にそれぞれ接続され、半導体スイッチング素子の動作により前記両端及び中点の電位を出力可能な３レベルインバータと、
前記燃料電池と前記コンデンサ直列回路との間に接続され、半導体スイッチング素子の動作により前記第１，第２のコンデンサを充放電させるバランサと、
を備えた燃料電池発電装置において、
前記バランサを動作させることにより発生する損失によって、前記３レベルインバータから前記燃料電池へ逆流する電力を相殺することを特徴とする。

【0013】

請求項２に係る燃料電池発電装置は、請求項１に記載した燃料電池発電装置において、前記３レベルインバータの交流出力側を電力系統に連系させて運転する連系運転と、前記３レベルインバータの交流出力側を電力系統に連系させずに負荷に交流電力を供給する自立運転と、を選択可能であることを特徴とする。

【0014】

請求項３に係る燃料電池発電装置は、請求項１または２に記載した燃料電池発電装置において、前記燃料電池の出力電流の向きが発電時とは逆向きである時に、前記バランサの動作を有効とする手段を備えたことを特徴とする。

【0015】

請求項４に係る燃料電池発電装置は、請求項１または２に記載した燃料電池発電装置において、前記燃料電池の出力電流の向きが発電時とは逆向きである時、または、燃料電池発電装置が電力系統に連系されずに自立運転中である時、または、燃料電池発電装置の交流出力電力が一定値以下である時、もしくは、前記第１，第２のコンデンサの電圧の偏差が一定値以上である時に、前記バランサの動作を有効とする手段を備えたことを特徴とする。

【0016】

請求項５に係る燃料電池発電装置は、請求項１〜４の何れか１項に記載した燃料電池発電装置において、前記バランサが、前記燃料電池の両極間に接続される第１，第２の半導体スイッチング素子の直列回路と、前記第１，第２の半導体スイッチング素子同士の接続点と前記コンデンサ直列回路の中点との間に接続されたリアクトルと、からなることを特徴とする。

【0017】

請求項６に係る燃料電池発電装置の制御装置は、
燃料電池と、
前記燃料電池の両極間に接続された第１，第２のコンデンサからなるコンデンサ直列回路と、
前記コンデンサ直列回路の両端及び中点が直流入力側にそれぞれ接続され、半導体スイッチング素子の動作により前記両端及び中点の電位を出力可能な３レベルインバータと、
前記燃料電池と前記コンデンサ直列回路との間に接続され、半導体スイッチング素子の動作により前記第１，第２のコンデンサを充放電させて前記第１，第２のコンデンサの電圧を均等化するバランサと、
を備えた燃料電池発電装置を制御するための制御装置において、
前記３レベルインバータの半導体スイッチング素子に対する駆動信号を生成するインバータ制御部と、前記バランサの半導体スイッチング素子に対する駆動信号を生成するバランサ制御部と、を有し、
前記バランサ制御部は、前記バランサを動作させて前記第１，第２のコンデンサの電圧を均等化することに加えて、前記３レベルインバータから前記燃料電池への逆流電流が流れている際に、バランサ動作を継続することを特徴とする。

【0018】

請求項７に係る燃料電池発電装置の制御装置は、請求項６に記載した制御装置において、
前記インバータ制御部は、前記３レベルインバータの交流電力指令に従って電圧指令を生成する手段と、前記第１，第２のコンデンサの電圧の偏差を零にするような補正信号を生成して前記電圧指令を補正する補正手段と、を備え、
前記バランサ制御部により前記バランサを動作させている期間は、前記補正信号を無効にすることを特徴とする。

【発明の効果】

【0019】

本発明によれば、ＦＲＴ動作等によってインバータの直流側電圧が上昇した場合でも、燃料電池に逆電流が流れないようにして燃料電池セル等の構成部材を確実に保護することができる。
なお、インバータの直流回路の過電圧対策として、いわゆるブレーキチョッパ等が知られているが、この種の保護回路を別個に設ける場合にはコストの上昇を招く。これに対し、本発明においては、連系運転及び自立運転を行う３レベルインバータに通常、設けられているバランサを利用して直流回路の過電圧保護を図ると同時に、燃料電池への逆電流を防止することが可能である。

【図面の簡単な説明】

【0020】

【図1】本発明の実施形態に係る燃料電池発電装置の構成図である。

【図2】図１におけるバランサ制御部の構成図である。

【図3】図１におけるバランサの動作説明図である。

【図4】図１におけるバランサ内のスイッチング素子及びリアクトルの電圧・電流波形図である。

【図5】図１におけるインバータ制御部の構成図である。

【図6】特許文献１に記載された従来技術の構成図である。

【図7】特許文献２に記載された従来技術の構成図である。

【図8】本発明の課題を説明するための電圧・電流波形図である。

【発明を実施するための形態】

【0021】

以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。
図１は、本発明の実施形態に係る燃料電池発電装置の構成図である。この燃料電池発電装置は、燃料電池発電部１００と制御装置２００とを備えている。

【0022】

始めに、燃料電池発電部１００の構成を説明する。
燃料電池１０１の両極間には、バランサ１０２と、コンデンサ１０３，１０４の直列回路と、３レベルインバータとしてのインバータ１０５とが、互いに並列に接続されている。
ここで、バランサ１０２は、コンデンサ１０３，１０４（インバータ１０５の直流コンデンサ）の電圧を均等化するためのものであり、半導体スイッチング素子１０２ａ，１０２ｂの直列回路と、スイッチング素子１０２ａ，１０２ｂ同士の接続点とコンデンサ１０３，１０４同士の接続点（中点）Ｍとの間に接続されたリアクトル１０２ｃとを備えている。

【0023】

インバータ１０５は、コンデンサ１０３，１０４の直列回路の正側端子Ｐ、負側端子Ｎ、及び中点Ｍの間に接続された半導体スイッチング素子１０５ａ，１０５ｂ，１０５ｃ，１０５ｄを備えている。なお、スイッチング素子１０５ｃ，１０５ｄは双方向スイッチを構成している。
このインバータ１０５は、スイッチング素子１０５ａ，１０５ｂ，１０５ｃ，１０５ｄのオン・オフにより、スイッチング素子１０５ａ，１０５ｂ同士の接続点である出力端子Ｏから正側端子Ｐ、負側端子Ｎ及び中点Ｍの３つの電位を出力可能である。

【0024】

インバータ１０５の出力端子Ｏは、リアクトル１０６及び開閉器１０７の直列回路を介して電力系統１１０に接続されている。また、リアクトル１０６と開閉器１０７との接続点は、コンデンサ１０８を介して前記中点Ｍに接続されている。

【0025】

燃料電池１０１の正極とバランサ１０２との間の正側母線には、電圧検出器１１１及び電流検出器１１２が接続され、これらによってそれぞれ検出される直流電圧Ｖ_ＰＮ及び直流電流Ｉ_ＰＮが制御装置２００に入力されている。なお、正側母線上の符号１１７は、配線インダクタンスである。

【0026】

バランサ１０２内のリアクトル１０２ｃの一端と中点Ｍとの間には電流検出器１１３及び電圧検出器１１４が接続され、これらによってそれぞれ検出されるバランサ電流Ｉ_ＢＬ及び直流電圧Ｖ_ＭＮが制御装置２００に入力されている。
また、開閉器１０７の両側には電流検出器１１５及び電圧検出器１１６が接続され、これらによってそれぞれ検出される交流電流Ｉ_ＡＣ及び交流電圧Ｖ_ＡＣが制御装置２００に入力されている。

【0027】

一方、制御装置２００は、燃料電池発電部１００における各部の電圧、電流に基づいて、バランサ１０２及びインバータ１０５のスイッチング素子をそれぞれ駆動するためのバランサ制御部２００ＢＬ及びインバータ制御部２００ＩＮＶを備えている。

【0028】

インバータ１０５は、インバータ制御部２００ＩＮＶが生成したゲート信号に従ってスイッチング素子１０５ａ，１０５ｂ，１０５ｃ，１０５ｄをオン・オフさせることにより、正側端子Ｐ、負側端子Ｎ及び中点Ｍの３つの電位を出力する。燃料電池発電部１００の連系運転時には、開閉器１０７を閉じてインバータ１０５を電力系統１１０に連系させ、燃料電池発電部１００の自立運転時には開閉器１０７を開いた状態で、出力端子Ｏに接続された負荷（図示せず）に交流電力を供給する。

【0029】

また、バランサ１０２は、バランサ制御部２００ＢＬが生成したゲート信号に従ってスイッチング素子１０２ａ，１０２ｂをオン・オフさせることにより、コンデンサ１０３，１０４の電圧を均等化すると共に、インバータ１０５側から燃料電池１０１側に逆電流が流れないように機能するものである。

【0030】

次に、図２に基づいて、制御装置２００内のバランサ制御部２００ＢＬの構成及び動作を説明する。
図２において、オアゲート２０６には４つの信号が入力されており、これらの信号の論理和によって「Ｈｉｇｈ」レベルの信号が後述のゲートブロック制御部２１４に入力されたときに、バランサ１０２に対するゲート信号が出力されるようになっている。なお、ゲートブロック制御部２１４は、装置の故障検出時等にゲート信号の出力を停止させる機能を有する。

【0031】

オアゲート２０６の第１の入力信号は、燃料電池発電装置が電力系統１１０に連系しておらず、自立運転している時に発生する自立運転検出信号である。
第２の入力信号は、交流電流Ｉ_ＡＣ及び交流電圧Ｖ_ＡＣを用いて交流電力演算部２０１が演算した交流電力が、レベル検出部２０２により予め設定された一定値以下であるときに発生する信号である。

【0032】

第３の入力信号は、直流電流Ｉ_ＰＮがレベル検出部２０３により予め設定された一定値以下（直流電流Ｉ_ＰＮがインバータ１０５側から燃料電池１０１に向かう逆電流）であるときに発生する信号である。
また、第４の入力信号は、減算器２０８の出力信号の絶対値を絶対値演算部２０４により演算し、そのレベルがレベル検出部２０５により予め設定された一定値を超えたときに発生する信号である。

【0033】

なお、仮にバランサ１０２を常に動作させたとすると、スイッチング損失や導通損失等により発電装置としての効率が低下してしまう。そこで、バランサ制御部２００ＢＬでは、コンデンサ１０３，１０４の電圧を等しくしてバランサ１０２の本来の機能を果たす場合（第１，第２，第４の入力信号）と、本形態の特徴である燃料電池１０１側への逆流防止が必要な場合（第３の入力信号）との何れかに限って、オアゲート２０６及びゲートブロック制御部２１４を介してバランサ１０２を起動させることとした。

【0034】

図２における減算器２０８は、電圧検出器１１１が検出した直流電圧Ｖ_ＰＮと、電圧検出器１１４が検出した直流電圧Ｖ_ＭＮを乗算器２０７により２倍した値との偏差を演算する。すなわち、バランサ１０２は、インバータ１０５の直流側のコンデンサ１０３，１０４の電圧Ｖ_ＰＭ，Ｖ_ＭＮを等しくするべく設けられているため、乗算器２０７及び減算器２０８により、下記の数式１を演算して電圧アンバランス量を求める。
［数式１］
Ｖ_ＰＮ−Ｖ_ＭＮ×２＝（Ｖ_ＰＭ＋Ｖ_ＭＮ）−Ｖ_ＭＮ×２＝Ｖ_ＰＭ−Ｖ_ＭＮ

【0035】

この電圧アンバランス量（Ｖ_ＰＭ−Ｖ_ＭＮ）は、前述のように絶対値演算部２０４に入力されると共に、減算器２０９により「０」との偏差が求められ、ＰＩ調節器２１０は上記偏差を零にするように動作してバランサ電流指令を出力する。
そして、バランサ電流指令とバランサ電流Ｉ_ＢＬとの偏差が減算器２１１によって演算され、Ｐ（比例）調節器２１２は上記偏差を零にするように動作してバランサ１０２に対する電圧指令が生成される。

【0036】

上記電圧指令は、ＰＷＭ（パルス幅変調）回路２１３により、「０」を中心とした三角波のキャリアと比較されてＰＷＭパルスが生成される。なお、電圧Ｖ_ＰＭ，Ｖ_ＭＮが等しく、電圧アンバランス量（Ｖ_ＰＭ−Ｖ_ＭＮ）が０である場合には、ＰＷＭパルスのデューティ比は５０％になる。
このＰＷＭパルスはゲートブロック制御部２１４に入力されており、オアゲート２０６から「Ｈｉｇｈ」レベルの信号が入力された時に、バランサ１０２のスイッチング素子１０２ａ，１０２ｂに対するゲート信号が出力される。

【0037】

次いで、図３は、バランサ１０２の動作説明図である。
図３（ａ）において、スイッチング素子１０２ａがオンすると、コンデンサ１０３が放電して経路ａに電流が流れる。これにより、リアクトル１０２ｃにエネルギーが蓄積される。

【0038】

スイッチング素子１０２ａがオフすると、リアクトル１０２ｃに蓄積されたエネルギーにより、図３（ｂ）に示すように、コンデンサ１０４とスイッチング素子１０２ｂの還流ダイオードとを通る経路ｂに電流が流れる。これによってコンデンサ１０４が充電され、リアクトル１０２ｃのエネルギーが０になると経路ｂの電流も０になる。

【0039】

次に、スイッチング素子１０２ｂがオンすると、図３（ｃ）に示すように、コンデンサ１０４が放電して経路ｃに電流が流れる。これにより、リアクトル１０２ｃには図３（ａ）に対して逆向きにエネルギーが蓄積される。

【0040】

そして、スイッチング素子１０２ｂがオフすると、リアクトル１０２ｃに蓄積されたエネルギーにより、図３（ｄ）に示すように、コンデンサ１０３とスイッチング素子１０２ａの還流ダイオードとを通る経路ｄに電流が流れる。これによってコンデンサ１０３が充電され、リアクトル１０２ｃのエネルギーが０になると経路ｄの電流も０になる。

【0041】

図３（ａ）の期間が図３（ｄ）の期間より長い場合には、コンデンサ１０３の電圧がコンデンサ１０４の電圧よりも低くなり、逆に、図３（ａ）の期間が図３（ｄ）の期間より短い場合には、コンデンサ１０３の電圧がコンデンサ１０４の電圧よりも高くなる。
図２のバランサ制御部２００ＢＬでは、コンデンサ１０３，１０４の電圧Ｖ_ＰＭ，Ｖ_ＭＮの偏差の絶対値を所定のレベルと比較してスイッチング素子１０２ａ，１０２ｂをオン・オフさせ、図３（ａ）〜図３（ｄ）の動作を繰り返すことで、電圧Ｖ_ＰＭ，Ｖ_ＭＮを均等化する制御が行われる。言い換えれば、図３（ａ）の期間と図３（ｄ）の期間とを等しくする制御が行われる。

【0042】

なお、インバータ１０５の直流側から燃料電池１０１に逆電流が流れるのを防止するためには、直流電圧Ｖ_ＰＮを燃料電池１０１による発電電圧より低くする必要がある。
この点に関し、図３（ａ）〜図３（ｄ）の動作を実行すれば、スイッチング素子１０２ａ，１０２ｂにおけるスイッチング損失や導通損失、リアクトル１０２ｃにおける鉄損、銅損等によってコンデンサ１０３，１０４が保有するエネルギーが消費される。このため、直流電圧Ｖ_ＰＮは、上記の各損失に相当する電圧分だけ、燃料電池１０１の両極間の電圧より低くなるため、インバータ１０５の直流側から燃料電池１０１側に向かって逆電流が流れるのを防止することができる。

【0043】

ここで、図４（ａ），（ｂ）は、バランサ１０２内のスイッチング素子１０２ａ，１０２ｂの電圧、電流を示す波形図、図４（ｃ）はリアクトル１０２ｃの電圧、電流を示す波形図である。

【0044】

図４（ａ），（ｂ）に示した電流については、正方向がスイッチング素子１０２ａ，１０２ｂの本体に流れる電流であり、負方向が還流ダイオードに流れる電流である。また、時間軸上のiはスイッチング素子のターンオン損失が発生する期間、iiはスイッチング素子の導通損失が発生する期間、iiiはスイッチング素子のターンオフ損失が発生する期間、ivは還流ダイオードの導通損失が発生する期間である。
なお、図４（ｃ）に動作波形を示したリアクトル１０２ｃでは、電流が流れることにより銅損が発生し、電圧が印加されることにより鉄損が発生する。

【0045】

バランサ１０２における発生損失が小さいと、コンデンサ１０３，１０４の放電時間が増加して燃料電池１０１に逆電流が流れる時間が長くなり、バランサ１０２における発生損失が大きいと、効率が低下する反面、コンデンサ１０３，１０４の放電時間が減少して燃料電池１０１に逆電流が流れる時間が短くなる。
従って、逆電流による燃料電池１０１の劣化を最小限に抑制するには、逆電流通流時間が許容範囲内に収まるように、スイッチング素子やリアクトルの素子を適切に選定し、スイッチング周波数を最適値に設定する等の方法により、バランサ１０２における発生損失を適宜調整することが必要である。

【0046】

次に、図５は、制御装置２００内のインバータ制御部２００ＩＮＶの構成図である。
このインバータ制御部２００ＩＮＶは、インバータ１０５の出力電力を指令通りに制御する出力電力制御と、直流側のコンデンサ１０３，１０４の電圧Ｖ_ＰＭ，Ｖ_ＭＮを均等化するバランス制御とを行う。

【0047】

まず、出力電力制御では、出力電力指令Ｐ_ＡＣ^＊と交流電圧Ｖ_ＡＣとを電流指令演算部２２１に入力して交流電流指令Ｉ_ＡＣ^＊を演算し、この交流電流指令Ｉ_ＡＣ^＊と交流電流Ｉ_ＡＣとの偏差を減算器２２２により求めてＰ調節器２２３に入力する。

【0048】

Ｐ調節器２２３は上記偏差を零にするように動作し、その出力と交流電圧Ｖ_ＡＣとを加算器２２４により加算して電圧指令を生成する。減算器２２５は、上記電圧指令から後述のＰＩ調節器２３１から出力される補正信号を減算して電圧指令を補正し、ＰＷＭ回路２２６が補正後の電圧指令とキャリアとを比較してＰＷＭパルスを生成する。このＰＷＭパルスを、ゲートブロック制御部２２７を介してインバータ１０５のスイッチング素子１０５ａ，１０５ｂ，１０５ｃ，１０５ｄに対するゲート信号として出力する。

【0049】

一方、バランス制御においては、乗算器２２８及び減算器２２９によりコンデンサ１０３，１０４の電圧Ｖ_ＰＭ，Ｖ_ＭＮの偏差を求め、この偏差を減算器２３０により「０」から減算してＰＩ調節器２３１に入力する。
これらの乗算器２２８、減算器２２９，２３０、及びＰＩ調節器２３１は、出力電力制御系の電圧指令を補正するための補正手段として機能している。

【0050】

ＰＩ調節器２３１には、バランサ１０２の運転状態を示すバランサ運転検出信号が入力されている。バランサ１０２の運転時には「Ｈｉｇｈ」レベルのバランサ運転検出信号がＰＩ調節器２３１に入力され、これによってＰＩ調節器２３１から出力される補正信号がゼロホールドされ、無効にされる。これは、図２に示したバランサ制御部２００ＢＬによるバランサ１０２の動作と、図５のインバータ制御部２００ＩＮＶによるバランス制御とが干渉し合うのを防止するためである。
なお、バランサ１０２が運転されていない場合には、ＰＩ調節器２３１から出力される補正信号を減算器２２５に入力し、インバータ制御部２００ＩＮＶによるバランス制御を有効にするものである。

【産業上の利用可能性】

【0051】

本発明によれば、ＦＲＴ動作時に限らず何らかの原因によってインバータの直流電圧が上昇した場合に、インバータの直流側の直列コンデンサの電圧を均等化しつつ燃料電池への逆電流を防止することができ、連系運転、自立運転を選択可能な燃料電池発電装置に適用することができる。

【符号の説明】

【0052】

１００：燃料電池発電部
１０１:燃料電池
１０２:バランサ
１０２ａ，１０２ｂ：半導体スイッチング素子
１０２ｃ：リアクトル
１０３，１０４：コンデンサ
１０５：インバータ
１０５ａ，１０５ｂ，１０５ｃ，１０５ｄ：半導体スイッチング素子
１０６：リアクトル
１０７：開閉器
１０８：コンデンサ
１１０：電力系統
１１１，１１４，１１６：電圧検出器
１１２，１１３，１１５：電流検出器
１１７：配線インダクタンス
２００：制御装置
２００ＢＬ：バランサ制御部
２００ＩＮＶ：インバータ制御部
２０１：交流電力演算部
２０２，２０３，２０５：レベル検出部
２０４：絶対値演算部
２０６：オアゲート
２０７：乗算器
２０８，２０９，２１１：減算器
２１０：ＰＩ調節器
２１２：Ｐ調節器
２１３：ＰＷＭ回路
２１４：ゲートブロック制御部
２２１：電流指令演算部
２２２，２２５，２２９，２３０：減算器
２２３：Ｐ調節器
２２４：加算器
２２６：ＰＷＭ回路
２２７：ゲートブロック制御部
２２８：乗算器
２３１：ＰＩ調節器

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】