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公開番号2024159007
公報種別公開特許公報(A)
公開日2024-11-08
出願番号2023074716
出願日2023-04-28
発明の名称燃料電池発電システム
出願人株式会社SOKEN,株式会社デンソー
代理人弁理士法人ゆうあい特許事務所
主分類H01M 8/04 20160101AFI20241031BHJP(基本的電気素子)
要約【課題】燃料電池の出力をパワーコンディショナが昇圧、増幅する燃料電池発電システムにおいて、パワーコンディショナへの入力電圧の電圧分解能の粗さに起因して、燃料電池の出力電流値と制御部が指示する電流値との乖離を抑制する。
【解決手段】システム制御部は、定常制御において、前の制御が終了した時点における電流センサ値Irと現在の電流センサ値Irとの差に基づいたPI制御演算B41により、燃料電池の電圧制御値Vcmd2を算出する。また、前の制御が終了した時点における電圧指令値Vxから電圧制御値Vcmd2を減算した値をパワーコンディショナの入力電圧とする。また、協調制御B42において、電流センサ値Irを指示電流値Ixsとして燃料供給装置に出力する。
【選択図】図17
特許請求の範囲【請求項１】
燃料ガスを供給する燃料供給装置（４０）と、
前記燃料供給装置から供給された前記燃料ガスを用いて発電して直流を出力する燃料電池（３０）と、
前記燃料電池が出力する前記直流を昇圧して交流に変換するパワーコンディショナ（５０）と、
前記燃料供給装置に前記燃料電池の出力電流の目標値である指示電流値（Ｉｘｓ）を出力すると共に前記パワーコンディショナに電圧指令値（Ｖｘ）を出力するシステム制御部（６０）と、を備え、
前記パワーコンディショナは、所定の電圧分解能で前記電圧指令値が設定可能であり、前記電圧指令値に相当する電圧で前記燃料電池から前記直流が出力されるよう昇圧比を調整し、
前記燃料供給装置は、前記指示電流値に基づいて前記燃料電池に供給する前記燃料ガスの量を調整すると共に、前記パワーコンディショナにおける前記電圧指令値の前記電圧分解能に起因して前記直流の電流値が取り得る刻み幅である電流幅（Ｚｉ）よりも細かい刻みで、前記指示電流値が設定可能であり、
前記システム制御部は、前記燃料電池が出力する前記直流の電流値である電流センサ値（Ｉｒ）を取得し、前記指示電流値が前記電流センサ値に近づくよう前記指示電流値を設定する協調制御を行う、燃料電池発電システム。
続きを表示（約 2,300 文字）【請求項２】
前記システム制御部は、前記電流センサ値に近づける以外の目的で前記指示電流値を変化させた場合、その変化に起因する前記電流センサ値の変動が緩和されるよう、前記協調制御を行わずに待機した後、前記協調制御において、前記指示電流値が前記電流センサ値に近づくよう前記指示電流値を設定する、請求項１に記載の燃料電池発電システム。
【請求項３】
前記システム制御部は、前記燃料電池を定常発電させるための定常制御において、前記協調制御を行う請求項１に記載の燃料電池発電システム。
【請求項４】
前記システム制御部は、前記燃料電池の発電を開始した後、前記燃料電池が出力する前記直流の電圧を低下させながら前記直流の電流値を上昇させる区間Ｂ１制御を行い、その後、前記直流の電流値を上昇させながら、前記直流の電流値の増加に対する前記燃料電池が出力する前記直流の電圧増加の勾配を、前記区間Ｂ１制御よりも緩やかに抑える区間Ｂ２制御を行い、前記区間Ｂ２制御の後に、前記燃料電池を定常発電させるための定常制御を行い、
前記システム制御部は、前記区間Ｂ１制御または前記区間Ｂ２制御において、前記協調制御を行う、請求項１に記載の燃料電池発電システム。
【請求項５】
前記システム制御部は、前記区間Ｂ２制御においては、前記電圧指令値を、前記区間Ｂ１制御の終了時の値に維持する、請求項４に記載の燃料電池発電システム。
【請求項６】
前記システム制御部は、前記区間Ｂ２制御の後、前記燃料電池の温度を前記定常発電のための温度まで上昇させる区間Ｂ３制御を行い、前記区間Ｂ３制御の後に、前記燃料電池を前記定常発電させるための定常制御を行い、
前記システム制御部は、前記区間Ｂ３制御において、前記指示電流値を前記電流センサ値より大きい値に設定する、請求項５に記載の燃料電池発電システム。
【請求項７】
前記システム制御部は、前記区間Ｂ３制御における前記電圧指令値を、前記区間Ｂ２制御の終了時の前記電圧指令値の値（Ｖｃｍｄ１）、および、前記区間Ｂ３制御における前記指示電流値と前記電流センサ値との差分に基づく電圧制御値（Ｖｃｍｄ２）に基づいて、算出する、請求項６に記載の燃料電池発電システム。
【請求項８】
燃料ガスを供給する燃料供給装置（４０）と、
前記燃料供給装置から供給された前記燃料ガスを用いて発電して直流を出力する燃料電池（３０）と、
前記燃料電池が出力する前記直流を昇圧して交流に変換するパワーコンディショナ（５０）と、
前記燃料供給装置に前記燃料電池の出力電流の目標値である指示電流値（Ｉｘｓ）を出力すると共に前記パワーコンディショナに電圧指令値（Ｖｘ）を出力するシステム制御部（６０）と、を備え、
前記パワーコンディショナは、所定の電圧分解能（Ｚｖ）で前記電圧指令値が離散的に設定可能であり、前記電圧指令値に相当する電圧で前記燃料電池から前記直流が出力されるよう昇圧比を調整し、
前記燃料供給装置は、所定の電流分解能（Ｚｉ２）で前記指示電流値が離散的に設定可能であり、前記指示電流値に基づいて前記燃料電池に供給する前記燃料ガスの量を調整し、
前記システム制御部は、前記電圧指令値として設定可能な離散的な電圧（ＣＶ
ｊ－１
、ＣＶ
ｊ
、ＣＶ
ｊ＋１
、ＣＶ
ｊ＋２
）と前記指示電流値として設定可能な離散的な電流値（ＣＩ
ｊ－１
、ＣＩ
ｊ
、ＣＩ
ｊ＋１
）との複数の組み合わせのうち、前記燃料電池の出力電流と出力電圧の対応関係であるＩＶ特性（Ｌ１）に対して所定の近傍の許容範囲（ＩＡ
ｊ－１
、ＩＡ
ｊ
、ＩＡ
ｊ＋１
）内にある１つの組み合わせを選択し、選択した組み合わせにおける電流値（ＣＩ
ｊ＋１
）を前記指示電流値として前記燃料供給装置に出力し、選択した組み合わせにおける電圧（ＣＶ
ｊ＋２
）を前記電圧指令値として前記パワーコンディショナに出力する、燃料電池発電システム。
【請求項９】
燃料ガスを供給する燃料供給装置（４０）と、
前記燃料供給装置から供給された前記燃料ガスを用いて発電して直流を出力する燃料電池（３０）と、
前記燃料電池が出力する前記直流を昇圧して出力するプリコンバータ（９０）と、
前記プリコンバータの出力を昇圧して交流に変換するパワーコンディショナ（５０）と、
前記燃料供給装置に前記燃料電池の出力電流の目標値である指示電流値（Ｉｘｓ）を出力すると共に前記パワーコンディショナに電圧指令値（Ｖｘ）を出力し、更に前記プリコンバータを制御するシステム制御部（６０）と、を備え、
前記パワーコンディショナは、所定の電圧分解能（Ｚｖ）で前記電圧指令値が離散的に設定可能であり、前記電圧指令値に相当する電圧が前記プリコンバータから出力されるよう昇圧比を調整し、
前記プリコンバータは、前記燃料電池が出力する前記直流の電圧を前記電圧分解能よりも細かい刻みで調整可能に制御され、
前記システム制御部は、前記燃料電池から前記指示電流値に追従する電流値で出力される前記直流を前記プリコンバータが前記電圧指令値に相当する電圧の直流に昇圧して前記パワーコンディショナに出力するよう、前記プリコンバータを制御する、燃料電池発電システム。

発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池発電システムに関するものである。
続きを表示（約 2,500 文字）【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、燃料供給装置、燃料電池、パワーコンディショナ、制御部を備えた燃料電池発電システムが記載されている。燃料電池は燃料供給装置から供給された燃料ガスを用いて発電する。パワーコンディショナは、燃料電池が出力する直流を昇圧して交流に変換して負荷に供給する。制御部は、パワーコンディショナ等を制御する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
特開２０１４－７１９８８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
このような燃料電池発電システムにおいて、発明者は、制御部が燃料供給装置から燃料電池への燃料ガスの供給量を制御すると共にパワーコンディショナへの入力電圧を制御する場合について検討した。そして、その場合、パワーコンディショナにおいて当該入力電圧の電圧分解能の粗さに起因する問題があることを見出した。
【０００５】
具体的には、パワーコンディショナのへの入力電圧（すなわち燃料電池の出力電圧）の電圧分解能が粗くなると、それに起因して燃料電池の出力電流の電流分解能も粗くなる。その結果、制御部が燃料電池の出力電流の目標値として電流指令値を燃料供給装置に出力し、燃料供給装置が当該電流指令値に応じた量の燃料を燃料電池に供給したとしても、燃料電池の実際の出力電流値と電流指令値の示す電流値とが乖離してしまう可能性がある。これは、燃料電池の損傷、劣化、効率低下の可能性を高める恐れがある。
【０００６】
本発明は、燃料電池の出力をパワーコンディショナが昇圧、増幅する燃料電池発電システムにおいて、パワーコンディショナへの入力電圧の電圧分解能の粗さに起因して、燃料電池の出力電流値と制御部が指示する電流値との乖離を抑制することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するための請求項１に記載の発明は、
燃料ガスを供給する燃料供給装置（４０）と、
前記燃料供給装置から供給された前記燃料ガスを用いて発電して直流を出力する燃料電池（３０）と、
前記燃料電池が出力する前記直流を昇圧して交流に変換するパワーコンディショナ（５０）と、
前記燃料供給装置に前記燃料電池の出力電流の目標値である指示電流値（Ｉｘｓ）を出力すると共に前記パワーコンディショナに電圧指令値（Ｖｘ）を出力するシステム制御部（６０）と、を備え、
前記パワーコンディショナは、所定の電圧分解能で前記電圧指令値が設定可能であり、前記電圧指令値に相当する電圧で前記燃料電池から前記直流が出力されるよう昇圧比を調整し、
前記燃料供給装置は、前記指示電流値に基づいて前記燃料電池に供給する前記燃料ガスの量を調整すると共に、前記パワーコンディショナにおける前記電圧指令値の前記電圧分解能に起因して前記直流の電流値が取り得る刻み幅である電流幅（Ｚｉ）よりも細かい刻みで、前記指示電流値が設定可能であり、
前記システム制御部は、前記燃料電池が出力する前記直流の電流値である電流センサ値（Ｉｒ）を取得し、前記指示電流値が前記電流センサ値に近づくよう前記指示電流値を設定する協調制御を行う、燃料電池発電システムである。
【０００８】
このように、パワーコンディショナにおける電圧指令値の電圧分解能が比較的粗い状況において、システム制御部は、当該電圧分解能に起因して燃料電池から出力される電流値が取り得る刻み幅である電流幅よりも細かい刻みで、指示電流値を設定可能とする。そして、指示電流値が電流センサ値に近づくよう指示電流値を設定する。
【０００９】
このように、指示電流値を細かく制御して電流センサ値に追従させることで、燃料電池の実際の出力電流値と、システム制御部が指示する電流値との乖離が抑制される。ひいては、燃料電池の損傷、劣化、効率低下の可能性が低減される。
【００１０】
また、請求項８に記載の発明は、
燃料ガスを供給する燃料供給装置（４０）と、
前記燃料供給装置から供給された前記燃料ガスを用いて発電して直流を出力する燃料電池（３０）と、
前記燃料電池が出力する前記直流を昇圧して交流に変換するパワーコンディショナ（５０）と、
前記燃料供給装置に前記燃料電池の出力電流の目標値である指示電流値（Ｉｘｓ）を出力すると共に前記パワーコンディショナに電圧指令値（Ｖｘ）を出力するシステム制御部（６０）と、を備え、
前記パワーコンディショナは、所定の電圧分解能（Ｚｖ）で前記電圧指令値が離散的に設定可能であり、前記電圧指令値に相当する電圧で前記燃料電池から前記直流が出力されるよう昇圧比を調整し、
前記燃料供給装置は、所定の電流分解能（Ｚｉ２）で前記指示電流値が離散的に設定可能であり、前記指示電流値に基づいて前記燃料電池に供給する前記燃料ガスの量を調整し、
前記システム制御部は、前記電圧指令値として設定可能な離散的な電圧（ＣＶ
ｊ－１
、ＣＶ
ｊ
、ＣＶ
ｊ＋１
、ＣＶ
ｊ＋２
）と前記指示電流値として設定可能な離散的な電流値（ＣＩ
ｊ－１
、ＣＩ
ｊ
、ＣＩ
ｊ＋１
）との複数の組み合わせのうち、前記燃料電池の出力電流と出力電圧の対応関係であるＩＶ特性（Ｌ１）に対して所定の近傍の許容範囲（ＩＡ
ｊ－１
、ＩＡ
ｊ
、ＩＡ
ｊ＋１
）内にある１つの組み合わせを選択し、選択した組み合わせにおける電流値（ＣＩ
ｊ＋１
）を前記指示電流値として前記燃料供給装置に出力し、選択した組み合わせにおける電圧（ＣＶ
ｊ＋２
）を前記電圧指令値として前記パワーコンディショナに出力する、燃料電池発電システムである。
（【００１１】以降は省略されています）

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