JP2003217625A

JP2003217625A - 燃料電池の電圧変換装置

Info

Publication number: JP2003217625A
Application number: JP2002014143A
Authority: JP
Inventors: Teruya Tanaka; 照也田中; Shigetoshi Higaki; 成敏桧垣; Yoshiyuki Noguchi; 義之野口
Original assignee: Toshiba Corp; Toshiba International Fuel Cells Corp
Current assignee: Toshiba Corp; Toshiba Energy Systems and Solutions Corp
Priority date: 2002-01-23
Filing date: 2002-01-23
Publication date: 2003-07-31

Abstract

(57)【要約】【課題】定常運転時における効率アップを図ると共
に、昇圧チョッパ回路の負担を軽減する。【解決手段】本発明の実施例における電圧変換装置４
３は、燃料電池２４の出力側に接続されて該燃料電池２
４の電圧を上昇させる昇圧チョッパ回路４６と、昇圧さ
れた直流電圧を交流に変換するインバータ回路５１と、
降圧チョッパ回路６１を有し周辺機器に直流電圧を供給
する電源回路６７と、前記燃料電池２４の電圧を前記昇
圧チョッパ回路４６を介さずに前記電源回路６７の降圧
チョッパ回路６１に供給する構成としている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、周辺機器の電源を
生成する電源回路の入力方式を変更した燃料電池の電圧
変換装置に関する。

【０００２】

【発明が解決しようとする課題】図５には、従来の燃料
電池の電圧変換装置の一例を示している。燃料電池１の
出力は昇圧チョッパ回路２によって昇圧されて、インバ
ータ回路３のプラス電源ライン３ａ及びマイナス電源ラ
イン３ｂ間に与えられる。インバータ回路３はスイッチ
ング素子４ａ〜４ｄ及びフリーホィールダイオード５ａ
〜５ｄから構成されており、その出力端子Ｘ、Ｙからフ
ィルタ６を介して、負荷接続端子Ｐ、Ｓから交流電圧
（例えば１００Ｖ）として外部負荷に供給される。

【０００３】また、上記インバータ回路３のプラス電源
ライン３ａ及びマイナス電源ライン３ｂに電源回路７の
降圧チョッパ回路８が接続されており、降圧された電圧
は、周辺回路例えば燃料電池１の周辺機器（ブロア、ポ
ンプなど）の電源として供給される。

【０００４】ここで、上記燃料電池１は、水素と酸素と
の電気化学反応により燃料のもつ化学エネルギーを直接
電気エネルギーに変換する装置であり、高い発電効率を
得ることができる。この場合、燃料電池１で発電を行な
うには、燃料電池本体以外に、電池に水素や酸素を送り
込むブロアや、化学反応で発生した熱を吸収するため冷
却水を循環させるポンプが必要であり、これら周辺機器
を駆動する電源は基本的に燃料電池１自身である。

【０００５】ところが、燃料電池１は、運転を開始して
から実際に電圧が発生するまでには、かなりの時間がか
かり、その間、前記ブロアやポンプなどの周辺機器を駆
動するためには、燃料電池１以外の電源が必要となる。

【０００６】そこで、図５の燃料電池１に適正な電圧が
発生するまでは、電力系統の電源（例えば商用１００Ｖ
交流電源）９をインバータ回路３の出力端子Ｘ、Ｙに接
続して、フライホィールダイオード５ａ〜５ｄを整流素
子として使用して整流し、プラス電源ライン３ａ及びマ
イナス電源ライン３ｂに直流電圧（ほぼ１４０Ｖ）を発
生させて、これを降圧チョッパ回路８を動作させて降圧
し、平滑コンデンサ７ａにて平滑して直流電圧Ｖｄ（例
えば２４Ｖ）を周辺機器に供給する。

【０００７】そして、燃料電池１が適正な電圧（例えば
４０Ｖ）を発生すると、これを図示しない検出手段によ
り検出して、制御装置１０が、昇圧チョッパ回路２を動
作させて例えば１８０Ｖに昇圧し、そして、インバータ
回路３を動作させる。これにより、負荷接続端子Ｐ、Ｓ
から交流電圧（例えば１００Ｖ）を出力する。

【０００８】ところで、この燃料電池１が適正な電圧を
発生して定常運転が行なわれる場合において、周辺機器
用の直流電圧Ｖｄを得るについて、燃料電池１の出力電
圧を昇圧チョッパ回路２により１８０Ｖに昇圧した後、
降圧チョッパ回路８により降圧しており、損失も多く、
装置全体の効率が悪い欠点があった。また、昇圧チョッ
パ回路２の出力電圧は、インバータ回路３及び降圧チョ
ッパ回路８に消費されるため、昇圧チョッパ回路２の負
担が大きく、スイッチング素子として耐圧の高いものな
どを使用しなければならないといった制約も多い欠点も
あった。

【０００９】本発明は上述の事情に鑑みてなされたもの
であり、その目的は、定常運転時における効率アップを
図り得ると共に、昇圧チョッパ回路の負担を軽減できる
燃料電池の電圧変換装置を提供するにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明は、燃料
電池の出力側に接続されて該燃料電池の電圧を上昇させ
る昇圧チョッパ回路と、昇圧された直流電圧を交流に変
換するインバータ回路と、降圧チョッパ回路を有し周辺
機器に直流電圧を供給する電源回路と、前記燃料電池の
電圧を前記昇圧チョッパ回路を介さずに前記電源回路の
降圧チョッパ回路に供給する構成としたところに特徴を
有する。

【００１１】この請求項１の発明によれば、燃料電池の
電圧を前記昇圧チョッパ回路を介さずに前記電源回路の
降圧チョッパ回路に供給する構成としたから、燃料電池
の出力電圧を一旦昇圧することなく直接的に降圧するよ
うになり、定常運転時における効率アップを図り得ると
共に、昇圧チョッパ回路の負担を軽減できる。

【００１２】請求項２の発明は、請求項１の発明におい
て、降圧チョッパ回路の入力側をインバータ回路の電源
ラインに接続する第１の状態と、降圧チョッパ回路の入
力側を燃料電池の出力側に接続する第２の状態とを切換
える切換え手段と、燃料電池が適正電圧を出力したか否
かを判断する適正電圧判断手段と、適正電圧検出手段か
ら適正電圧の出力が検出されるまでは、前記切換え手段
を第１の状態とし、検出後は第２の状態とするようにし
たところに特徴を有する。

【００１３】燃料電池が適正な電圧を出力する（定常運
転となる）までのいわゆる立ち上がり時には、電源回路
の昇圧チョッパ回路に外部電源を供給する必要がある。
この場合、通常は、インバータ回路が通常有するフライ
ホイールダイオードを整流素子として使用して、インバ
ータ回路を全波整流回路として使用することが多い。こ
の場合、インバータ回路の出力端子に系統の商用交流電
源を接続して、該インバータ回路の電源ラインに直流電
圧を発生させ、この直流電圧を降圧チョッパ回路により
降圧させて周辺機器の電源を得るようになる。そして、
燃料電池が適正な電圧になると、その燃料電池の出力電
圧を、電源回路に与えて周辺機器の電源電圧を得るよう
にすれば良い。

【００１４】しかるに上記請求項２の発明においては、
適正電圧検出手段から適正電圧の出力が検出されるまで
は、切換え手段を第１の状態とし、検出後は第２の状態
とするようにしたから、運転立ち上がりから定常運転に
かけて、電源回路への電圧供給をスムーズに行なうこと
ができるようになる。

【００１５】請求項３の発明は、請求項２において、適
正電圧判断手段が、燃料電池の出力電圧を検出し、この
検出電圧を判断する構成となっているところに特徴を有
する。燃料電池の出力電圧を知る方法としては、直接、
出力電圧を検出すること以外に、出力電圧と相関する燃
料電池の反応熱を検出してもいいし、燃料電池を冷却す
る装置の温度を検出してもいいものである。しかるに、
請求項３の発明においては、適正電圧判断手段が、燃料
電池の出力電圧を検出し、この検出電圧を判断する構成
となっているから、燃料電池の出力電圧を直接的に検出
できて検出精度を高めることができる。

【００１６】請求項４の発明は請求項１ないし３のいず
れかの発明において、昇圧チョッパ回路の入力側には、
燃料電池が接続されている他に、充電可能な蓄電池が接
続され、燃料電池が適正電圧を出力する前はこの蓄電池
の出力電圧が降圧チョッパ回路に与えられるようになっ
ているところに特徴を有する。

【００１７】上述したように、定常運転となるまでのい
わゆる立ち上がり時には、電源回路の昇圧チョッパ回路
に外部電源を供給する必要がある。この場合、外部電源
として、充電可能な蓄電池でもよい。しかるに上記請求
項４の発明においては、昇圧チョッパ回路の入力側に
は、燃料電池が接続されている他に、充電可能な蓄電池
が接続され、燃料電池が適正電圧を出力する前はこの蓄
電池の出力電圧が降圧チョッパ回路に与えられるように
なっているから、電源回路用の外部電源として、系統の
電源を必要としない。

【００１８】この場合、燃料電池の出力電圧に基づいて
蓄電池に充電する充電回路を設ける構成としても良い
（請求項５の発明）。このようにすれば、系統から電力
を引き込まずに済む。

【００１９】請求項６の発明は、燃料電池と、直流電圧
を交流に変換するインバータ回路と、これら燃料電池と
インバータ回路との間に接続されたチョッパ回路とを備
え、前記チョッパ回路は、前記インバータ回路のプラス
電源ライン及びマイナス電源ライン間に接続されてスイ
ッチングを行なう第１のスイッチング素子及び第２のス
イッチング素子と、この第１のスイッチング素子と第２
のスイッチング素子との接続点と前記燃料電池のプラス
端子との間に接続されたリアクトルと、第１及び第２の
スイッチング素子にそれぞれ逆並列に接続された整流素
子とを備えて構成され、前記燃料電池の出力電圧が適正
電圧より低い時には、前記第１のスイッチング素子を降
圧チョッパとして動作させ、前記燃料電池の出力電圧が
適正電圧となった時には、前記第２のスイッチング素子
を昇圧チョッパとして動作させるようにしたところに特
徴を有する。

【００２０】この請求項６の発明においては、燃料電池
の出力電圧が適正電圧より低い時には、第１のスイッチ
ング素子を降圧チョッパとして動作させるから、インバ
ータ回路の出力端子に系統の交流電源を接続しておけ
ば、インバータ回路のプラス電源ライン及びマイナス電
源ライン間に発生する直流電圧を第１のスイッチング素
子の降圧チョッパとしての動作により降圧して、周辺機
器用の電源として使用でき、そして、燃料電池の出力電
圧が適正電圧となった時には、第２のスイッチング素子
を昇圧チョッパとして動作させるようにしたから、燃料
電池の出力電圧を昇圧してインバータ回路に供給でき
る。この場合、チョッパ回路は、降圧チョッパ及び昇圧
チョッパとして兼用できる。

【００２１】この場合、燃料電池のプラス端子とリアク
トルとの間には、逆阻止用の整流素子を介在させると共
に、この整流素子と並列にスイッチを接続し、燃料電池
の出力電圧が適正電圧より低い時には前記スイッチを開
放すると共に前記第１のスイッチング素子を降圧チョッ
パとして動作させ、前記燃料電池の出力電圧が適正電圧
となった時には、前記スイッチを閉成すると共に前記第
２のスイッチング素子を昇圧チョッパとして動作させる
ようにしても良い（請求項７の発明）。

【００２２】この請求項７の発明によれば、燃料電池の
出力電圧が適正電圧より低い時には、つまり、第１のス
イッチング素子を降圧チョッパとして動作させていると
きには、降圧された電圧が燃料電池へ逆流することを防
止できる。ここで、スイッチがないとすると、燃料電池
の出力電圧が適正電圧となった時には、この出力電圧が
チョッパ回路へ供給されるが、そのときに整流素子の順
方向電圧降下がある。しかし、請求項７の発明によれ
ば、燃料電池の出力電圧が適正電圧となった時には、ス
イッチが閉成して整流素子間を短絡するから、上記順方
向電圧降下がなく、装置全体の効率の向上が図れる。

【００２３】

【発明の実施の形態】以下、本発明の第１の実施例につ
き図１及び図２を参照しながら説明する。まず、図２
は、燃料電池発電プラント（以下、単にプラントと称
す）２１の構成及びプラント２１内に流れる流体のフロ
ーを概略的に示すものである。この図２に示すように、
原燃料ガス例えば都市ガス２２は、改質器２３に供給さ
れる。改質器２３では、都市ガス２２を水蒸気改質する
ことにより水素リッチガスが生成され、これが燃料極２
４ａに供給される。空気２５は、空気ブロア２６によ
り、空気極２４ｂに供給される。

【００２４】燃料電池２４は、燃料極２４ａ、空気極２
４ｂ、及び、これらに狭持された電解質層（図示せず）
を主体として構成されている。燃料電池２４では、燃料
極２４ａに水素リッチガスが供給され、空気極２４ｂに
空気が供給されると、水素リッチガス中に含まれる水素
イオンと、空気中に含まれる酸素イオンとが電解質層を
介して電気化学反応を起こし、これによって直流電力が
生成（発電）される。

【００２５】尚、この電気化学反応は発熱反応であるた
め、発電動作中には、燃料極２４ａ及び空気極２４ｂの
温度が上昇する。そのため、燃料極２４ａ及び空気極２
４ｂには、これらを冷却するための冷却媒体たる冷却板
２７が装着され、この冷却板２７内に１次冷却水を循環
させることにより、燃料極２４ａ及び空気極２４ｂが冷
却されるようになっている。

【００２６】冷却板２７を通過することにより吸熱して
一部が沸騰した１次冷却水は、水蒸気分離器２８にて、
水蒸気と飽和水とに分離される。このうち、水蒸気は、
改質器２３に供給され、都市ガスの水蒸気改質に使用さ
れる。また、飽和水は、循環ポンプたる１次冷却水循環
ポンプ（以下、単に１次ポンプと称す）２９に供給され
る。１次ポンプ２９から吐出された１次冷却水は、二方
に分岐されて、熱交換機３０、及び、温度調節弁（三方
弁）３１の一方の注入口３１ａに供給される。三方弁３
１では、温度センサ３１ｃにて配管３２の温度を検出し
てその検出温度に基づいて注入口３１ａ及び３１ｂの弁
の開閉制御が行われ、これによって、冷却板２７に供給
される１次冷却水の温度が調節される。

【００２７】熱交換機３０では、高温の１次冷却水の熱
を、低温の２次冷却水（後述）で吸熱するような熱交換
が行われ、熱交換により冷却された１次冷却水は、三方
弁１１の他方の注入口３１ｂに供給される。以上のよう
にして、これら冷却板２７、水蒸気分離器２８、１次ポ
ンプ２９、熱交換機３０及び三方弁３１で１次冷却水循
環系３３が構成されている。

【００２８】次に、熱交換機３０にて、１次冷却水を冷
却することに使用された２次冷却水は、冷却装置３４に
供給される。この冷却装置３４では、冷却ファン３５に
よって、２次冷却水が所定温度を超えないように冷却さ
れる。

【００２９】冷却装置３４にて冷却された２次冷却水
は、循環ポンプたる２次冷却水循環ポンプ（以下、単に
２次ポンプと称す）３６に供給される。２次ポンプ３６
から吐出された２次冷却水は、温度調節弁３７の注入口
３７ａに供給される。

【００３０】温度調節弁３７では、制御回路５９（図１
参照）によって、注入口３７ａの弁の開閉制御が行わ
れ、これによって、２次冷却水の温度が調節される。即
ち、制御回路５９では、熱交換機３０及び冷却装置３４
間の配管３８に設けられた温度センサ３７ｃを介して、
熱交換機３０を通過して高温になった２次冷却水の温度
が検出され、この温度が常に所定温度範囲内に収まるよ
うに、注入口３７ａの弁の開口率の調節が行われる。そ
して、温度調節弁３７から吐出された２次冷却水は、熱
交換機３９に供給される。

【００３１】熱交換機３９では、改質器２３から排出さ
れた高温の排気ガスの熱を、低温の２次冷却水で吸熱す
るような熱交換が行われ、熱交換により若干温度が上昇
した２次冷却水は、再び、熱交換機３０に供給される。
以上のようにして、これら熱交換機３０、冷却装置３
４、２次ポンプ３６、温度調節弁３７及び熱交換機３９
で２次冷却水循環系４０が構成されている。

【００３２】尚、熱交換機３９では、排気ガス中の水蒸
気が凝縮され、これによって生成された水が給水タンク
４１に供給されるようになっている。そして、給水タン
ク４１に貯水された水は、給水ポンプ４２に供給され
る。この給水ポンプ４２は、制御回路５９により、貯水
された水の流水量が調節可能に構成されており、給水ポ
ンプ４２から吐出された水は、水蒸気分離器２８から放
出された１次冷却水に混合される。これにより、１次冷
却水の水量は、一定に保たれるようになっている。

【００３３】次に、図１は、燃料電池２４にて発電され
た直流電力を交流電力に変換し、周辺機器たる空気ブロ
ア２６、冷却ファン３５、１次ポンプ２９、２次ポンプ
３６及び給水ポンプ４２などに与える電源を生成すると
共に外部負荷４４に与える１００交流電源を生成する燃
料電池の電圧変換装置４３に関する電気的構成を示すも
のである。

【００３４】燃料電池２４の電源ライン２４ｐ、２４ｒ
は平滑コンデンサ４５の両端に接続され、この平滑コン
デンサ４５の両端には昇圧チョッパ回路４６が接続され
ている。この昇圧チョッパ回路４６は、リアクトル４７
と、スイッチング素子４８と、フライホイールダイオー
ド４９と、整流素子たるダイオード５０とから構成され
ている。

【００３５】この昇圧チョッパ回路４６の出力側には、
インバータ回路５１のプラス電源ライン５１ａ及びマイ
ナス電源ライン５１ｂが接続されている。このインバー
タ回路５１は、上述のプラス電源ライン５１ａ及びマイ
ナス電源ライン５１ｂ間にスイッチング素子５２ａ〜５
２ｄをブリッジ接続すると共に、各スイッチング素子５
２ａ〜５２ｄに対してフライホイールダイオード５３ａ
〜５３ｄを逆並列接続して構成されている。

【００３６】このインバータ回路５１の出力端子５１
ｃ、５１ｄはフィルタ回路５４を介して外部端子５５
ａ、５５ｂに接続されている。上記フィルタ回路５４
は、リアクトル５４ａ及びコンデンサ５４ｂを有して構
成されている。外部端子５５ａ、５５ｂには外部負荷４
４が接続されていると共に、電力系統５６の例えば１０
０Ｖ商用交流電源線５６ａ、５６ｂにそれぞれ買電切換
部５７及び売電切換部５８を介して接続されている。上
記買電切換部５７は、開閉スイッチ及び電力計（いずれ
も図示せず）を備え、売電切換部５８も開閉スイッチ及
び電力計（いずれも図示せず）を備えた構成であり、こ
れら開閉スイッチは制御装置５９により制御されるよう
になっている。

【００３７】前記インバータ回路５１のプラス電源ライ
ン５１ａ及びマイナス電源ライン５１ｂ間には、リレー
スイッチ６０ａの接点ａ−ｃ間と降圧チョッパ回路６１
とが直列に接続されている。降圧チョッパ回路６１は、
スイッチング素子６２と、フライホイールダイオード６
３と、整流子たるダイオード６４と、リアクトル６５と
を図示のように接続して構成されており、その出力は平
滑コンデンサ６６を介して制御電源端子６７ａ、６７ｂ
に与えられるようになっている。この降圧チョッパ回路
６１と平滑コンデンサ６６とで電源回路６７が構成され
ている。この制御電源端子６７ａ、６７ｂは、周辺機器
に接続されている。

【００３８】前記リレースイッチ６０ａは、切換え手段
たる切換回路６０の一部を構成するものである。この切
換回路６０は、このリレースイッチ６０ａとリレー駆動
コイル６０ｂとを有して構成されている。リレースイッ
チ６０ａの接点ｂは、前記燃料電池２４のプラス電源ラ
イン２４ｐに接続されている。上記リレースイッチ６０
は接点ａ−ｃ間が常閉とされている。

【００３９】適正電圧判断手段たる適正電圧判断回路６
８は、基準電圧発生回路６８ａと、電圧検出回路６８ｂ
と、コンパレータ６８ｃとを有して構成されている。基
準電圧発生回路６８ａは４０Ｖに相関する基準電圧を発
生し、電圧検出回路６８ｂは燃料電池２４の出力電圧に
相関する電圧を検出電圧として発生し、コンパレータ６
８は、これらの基準電圧と検出電圧とを比較して検出電
圧が基準電圧以下の時には、出力を「Ｈ」レベルとして
前記リレーコイル６０ｂを断電してリレースイッチ６０
ａの接点ｂ−ｃ閉成（常閉）とし、すなわち、後述する
降圧チョッパ回路６１の入力側をインバータ回路５１の
電源ライン５１ａ、５１ｂに接続する第１の状態とす
る。また、検出電圧が基準電圧を超える時には、出力を
「Ｌ」レベルとして前記リレーコイル６０ｂを通電駆動
して接点ｂ−ｃ閉成とし、すなわち、後述の降圧チョッ
パ回路６１の入力側を燃料電池２４の出力側に接続する
第２の状態とする。

【００４０】制御装置５９は、昇圧チョッパ回路４６の
スイッチング素子４９、インバータ回路５１の各スイッ
チング素子５２ａ〜５２ｄ、降圧チョッパ回路６１のス
イッチング素子６２、買電切換部５７、売電切換部５８
を制御するものであり、それぞれに対応する駆動回路を
内蔵していると共に、マイクロコンピュータを内蔵して
いる。なお、この制御装置５９には、スイッチ入力部６
９からのスイッチ入力が与えられるようになっている。

【００４１】以上構成の電圧変換装置４３を含めたプラ
ント２１を駆動する場合について述べる。スイッチ入力
部６９から、図示しない運転開始スイッチのスイッチ信
号が入力されると、制御装置５９は買電切換部５７を動
作させてこの買電切換部５７を通して、１００Ｖ商用電
圧をインバータ回路５１の出力端子５１ｃ、５１ｄに入
力し、インバータ回路５１を全波整流回路として使用す
る（スイッチング素子５２ａ〜５２ｄはオフ）。これに
より、プラス電源ライン５１ａ、マイナス電源ライン５
１ｂ間にほぼ１４０Ｖの直流電圧が発生する。この直流
電圧を降圧チョッパ回路６１のスイッチング素子６２を
スイッチング動作させることにより降圧し、平滑コンデ
ンサ６６により平滑して電源回路６７の制御電源端子６
７ａ、６７ｂから電圧Ｖｄ（例えば２４Ｖ）を出力す
る。この電圧Ｖｄは、前述の周辺機器に与えられる。こ
れにより、プラント２１が起動し、燃料電池２４が徐々
に出力電圧を高めてゆく。

【００４２】そして、燃料電池２４が適正電圧（例えば
４０Ｖ）を出力するようになると、適正電圧判断回路６
８のコンパレータ６８ｃの出力がマイナスに反転してリ
レーコイル６０ｂが通電駆動されて切換回路６０のリレ
ースイッチ６０ａが接点ｂ−ｃ間閉成へと切替わる。上
記コンパレータ６８ｃの出力の反転による「Ｌ」信号は
制御装置５９にも与えられており、制御装置５９は、買
電切換部５７及び売電切換部５８を開放し、昇圧チョッ
パ回路４６のスイッチング素子４８をスイッチング動作
させる。

【００４３】上記切換回路６０の切換え動作により、燃
料電池２４の出力電圧が直接（インバータ回路５１を介
さずに）降圧回路６１に与えられる。これにより、周辺
機器への制御電源電圧Ｖｄが生成される。

【００４４】また、燃料電池２４の出力電圧は昇圧チョ
ッパ回路４６にて昇圧されるようになってインバータ回
路５１に与えられる。そして、制御装置５９は、インバ
ータ回路５１のスイッチング素子５２ａ〜５２ｄを適宜
ＰＷＭ制御によりスイッチングして、出力端子５１ｃ、
５１ｄから単相交流波形を出力し、フィルタ５４により
正弦波波形に整形して外部出力端子５５ａ、５５ｂから
外部負荷４４に供給する。なお、この場合、インバータ
回路５１で生成した交流電力を電力系統５６側へ売電す
る場合には、制御装置５９が売電切換部５８を閉路して
電力系統５６側へ回生し、また、インバータ回路５１で
生成した交流電力が不足気味で系統５６側から買電する
場合には、制御装置５９が買電切換部５７を閉路して電
力系統５６から電力を引き込むことになる。

【００４５】本実施例によれば、燃料電池２４の電圧を
昇圧チョッパ回路４６を介さずに電源回路６７の降圧チ
ョッパ回路６１に供給する構成としたから、燃料電池２
４の出力電圧を一旦昇圧することなく直接的に降圧する
ようになり、定常運転時における電圧変換ロスを少なく
できて効率アップを図り得ると共に、昇圧チョッパ回路
４６の負担を軽減できる。

【００４６】また、本実施例によれば、降圧チョッパ回
路６１の入力側をインバータ回路５１の電源ライン５１
ａ、５１ｂに接続する第１の状態と、降圧チョッパ回路
６１の入力側を燃料電池２４の出力側に接続する第２の
状態とを切換える切換回路６０を設け、燃料電池２４が
適正電圧を出力したか否かを判断する適正電圧判断回路
６８を設け、適正電圧の出力が検出されるまでは、切換
回路６０を第１の状態とし、検出後は第２の状態とする
ようにしたから、運転立ち上がりから定常運転にかけ
て、電源回路６７への電圧供給をスムーズに行なうこと
ができる。

【００４７】この場合、適正電圧を判断する手段とし
て、燃料電池２４の出力電圧を検出し、この検出電圧を
判断する構成となっているから、燃料電池２４の出力電
圧を直接的に検出できて検出精度を高めることができ
る。なお、燃料電池２４の反応熱を検出すること、ある
いはこれ以外の検出方法で出力電圧を等価的に検出する
ことも可能である。

【００４８】図３は本発明の第２の実施例を示してお
り、この実施例においては、次の点が第１の実施例と異
なる。すなわち、昇圧チョッパ回路４６の入力側には、
燃料電池２４の出力側が接続されている他に、充電可能
な蓄電池７０が接続され、燃料電池２４が適正電圧を出
力する前はこの蓄電池７０の出力電圧が降圧チョッパ回
路６１に与えられるようになっている。

【００４９】また、蓄電池７０に、リレースイッチ７１
ａを含む充電回路７１を設け、燃料電池７０が適正電圧
を出力する状態で該燃料電池２４によりこの充電回路７
１を駆動して蓄電池７０を充電するようになっている。
なお、整流素子たるダイオード７２は蓄電池７０から燃
料電池２４への電流の流れを阻止し、整流素子たるダイ
オード７３は燃料電池２４から蓄電池７０への電流の流
れを阻止する。

【００５０】上記充電回路７１には充電検出回路も含ま
れており、蓄電池７０の出力電圧が規定電圧以下のとき
にはリレースイッチ７１ａをオンし、規定電圧を超える
とオフする。通常は、蓄電池７０は燃料電池２４により
規定電圧まで充電されていて、リレースイッチ７１ａは
オフしている。

【００５１】この実施例においては、定常運転となるま
でのいわゆる立ち上がり時に、電力系統の１００Ｖ商用
交流電圧をインバータ回路５１に供給しなくても、蓄電
池７０を電源回路６７の降圧チョッパ回路６１に供給で
き、系統の電源を必要としない。この場合、蓄電池７０
に、充電回路７１を設け、燃料電池２４によりこの充電
回路７１を動作させて蓄電池７０を充電する構成として
いるから、立ち上がり時に電力系統５６から電力を引き
込まずに済む。

【００５２】図４は本発明の第３の実施例を示してお
り、この実施例においては、次の点が第１の実施例と異
なる。すなわち、第１の実施例における昇圧チョッパ回
路４６、電源回路６７（降圧チョッパ回路６１）に代え
てチョッパ回路８０を設け、切換回路６０及び適正電圧
判定回路６８を省略している。上記チョッパ回路８０
は、燃料電池２４とインバータ回路５１との間に接続さ
れており、前記インバータ回路５１のプラス電源ライン
５１ａ及びマイナス電源ライン５１ｂ間に接続されてス
イッチングを行なう第１のスイッチング素子８１及び第
２のスイッチング素子８２と、この第１のスイッチング
素子８１と第２のスイッチング素子８２との接続点と燃
料電池２４のプラス端子との間に接続されたリアクトル
８３と、前記スイッチング素子８１、８２に逆並列接続
されたフライホイールダイオード８４、８５と、平滑コ
ンデンサ８６とを備えて構成されている。

【００５３】そして、燃料電池２４のプラス端子とリア
クトル８３との間には、逆阻止用の整流素子たるダイオ
ード８７を介在させると共に、このダイオード８７と並
列にスイッチたるリレースイッチ８８を接続し、さら
に、燃料電池２４の出力電圧を検出する検出回路８９を
設けている。その検出出力は制御装置５９に与えられる
ようになっている。

【００５４】制御装置５９は、燃料電池２４の出力電圧
（検出電圧）が予め設定された適正電圧より低い時には
リレースイッチ８８を開放すると共に、第１のスイッチ
ング素子８１を降圧チョッパとして動作させ、燃料電池
２４の出力電圧が適正電圧となった時には、リレースイ
ッチ８８を閉成すると共に第２のスイッチング素子８２
を昇圧チョッパとして動作させるようにする。

【００５５】この第３の実施例においては、燃料電池２
４の出力電圧が適正電圧より低い時には、第１のスイッ
チング素子８１を降圧チョッパとして動作させるから、
インバータ回路５１の出力端子５１ｃ、５１ｄに系統５
６の交流電源を接続しておけば、インバータ回路５１の
プラス電源ライン５１ａ及びマイナス電源ライン５１ｂ
間に発生する直流電圧を第１のスイッチング素子８１の
降圧チョッパとしての動作により降圧して、周辺機器用
の電源として使用でき、そして、燃料電池２４の出力電
圧が適正電圧となった時には、第２のスイッチング素子
８２を昇圧チョッパとして動作させるようにしたから、
燃料電池２４の出力電圧を昇圧してインバータ回路５１
に供給できる。従って、チョッパ回路８０を、降圧チョ
ッパ及び昇圧チョッパとして兼用できる。この場合燃料
電池２４の出力電圧をそのまま周辺機器の電源として使
用する。

【００５６】この場合、第１のスイッチング素子８１を
降圧チョッパとして動作させているときには、降圧され
た電圧が燃料電池２４へ逆流することを防止できる。そ
して、燃料電池２４の出力電圧が適正電圧となった時に
は、リレースイッチ８８を閉成させてダイオード８７間
を短絡するから、その順方向電圧降下がなく、装置全体
の効率の向上が図れる。なお、燃料電池は、複数個直列
あるいは並列に接続しても良い。

【００５７】

【発明の効果】本発明は以上の説明から明らかなよう
に、定常運転時における効率アップを図り得ると共に、
昇圧チョッパ回路の負担を軽減できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例を示す電気的構成図

【図２】燃料電池発電プラントを概略的に示す図

【図３】本発明の第２の実施例を示す電気的構成図

【図４】本発明の第３の実施例を示す電気的構成図

【図５】従来例を示す図１相当図

【符号の説明】

２４は燃料電池、４３は電圧変換装置、４６は昇圧チョ
ッパ回路、５１はインバータ回路、５４はフィルタ、６
０は切換回路（切換え手段）、６１は降圧チョッパ回
路、６７は電源回路、６８は適正電圧判定回路（適正電
圧判定手段）、７０は蓄電池、７１は充電回路、８０は
チョッパ回路、８７はダイオード（整流素子）、８８は
リレースイッチ（スイッチ）を示す。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｈ０２Ｍ 3/155 Ｈ０２Ｍ 3/155 ＫＵ 7/48 7/48 Ｒ (72)発明者桧垣成敏愛知県瀬戸市穴田町991番地株式会社東芝愛知工場内 (72)発明者野口義之大阪府茨木市太田東芝町１−６株式会社オーイーシー内Ｆターム(参考） 5H007 AA02 BB07 CA01 CB02 CB05 CC12 DA04 DB13 EA02 5H027 AA02 DD03 KK54 MM26 MM27 5H030 AA06 AS03 BB10 FF43 FF44 5H730 AA14 AS01 BB13 BB14 BB57 BB86 CC13 CC17 DD02 EE08 EE10 EE65 FD11 FF09 FG01 FG26

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】燃料電池の出力側に接続されて該燃料電
池の電圧を上昇させる昇圧チョッパ回路と、昇圧された直流電圧を交流に変換するインバータ回路
と、降圧チョッパ回路を有し周辺機器に直流電圧を供給する
電源回路と、前記燃料電池の電圧を前記昇圧チョッパ回路を介さずに
前記電源回路の降圧チョッパ回路に供給する構成とした
ことを特徴とする燃料電池の電圧変換装置。
【請求項２】降圧チョッパ回路の入力側をインバータ
回路の電源ラインに接続する第１の状態と、降圧チョッ
パ回路の入力側を燃料電池の出力側に接続する第２の状
態とを切換える切換え手段と、燃料電池が適正電圧を出力したか否かを判断する適正電
圧判断手段と、適正電圧検出手段から適正電圧の出力が検出されるまで
は、前記切換え手段を第１の状態とし、検出後は第２の
状態とするようにしたことを特徴とする請求項１記載の
燃料電池の電圧変換装置。
【請求項３】適正電圧判断手段は、燃料電池の出力電
圧を検出し、この検出電圧を判断する構成となっている
ことを特徴とする請求項２記載の燃料電池の電圧変換装
置。
【請求項４】昇圧チョッパ回路の入力側には、燃料電
池が接続されている他に、充電可能な蓄電池が接続さ
れ、燃料電池が適正電圧を出力する前はこの蓄電池の出
力電圧が降圧チョッパ回路に与えられるようになってい
ることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載
の燃料電池の電圧変換装置。
【請求項５】燃料電池の出力電圧に基づいて蓄電池に
充電する充電回路が設けられていることを特徴とする請
求項４記載の燃料電池の電圧変換装置。
【請求項６】燃料電池と、直流電圧を交流に変換する
インバータ回路と、これら燃料電池とインバータ回路と
の間に接続されたチョッパ回路とを備え、前記チョッパ回路は、前記インバータ回路のプラス電源
ライン及びマイナス電源ライン間に接続されてスイッチ
ングを行なう第１のスイッチング素子及び第２のスイッ
チング素子と、この第１のスイッチング素子と第２のス
イッチング素子との接続点と前記燃料電池のプラス端子
との間に接続されたリアクトルと、第１及び第２のスイ
ッチング素子にそれぞれ逆並列に接続された整流素子と
を備えて構成され、前記燃料電池の出力電圧が適正電圧より低い時には、前
記第１のスイッチング素子を降圧チョッパとして動作さ
せ、前記燃料電池の出力電圧が適正電圧となった時に
は、前記第２のスイッチング素子を昇圧チョッパとして
動作させるようにしたことを特徴とする燃料電池の電圧
変換装置。
【請求項７】燃料電池のプラス端子とリアクトルとの
間には、逆阻止用の整流素子を介在させると共に、この
整流素子と並列にスイッチを接続し、燃料電池の出力電
圧が適正電圧より低い時には前記スイッチを開放すると
共に前記第１のスイッチング素子を降圧チョッパとして
動作させ、前記燃料電池の出力電圧が適正電圧となった
時には、前記スイッチを閉成すると共に前記第２のスイ
ッチング素子を昇圧チョッパとして動作させるようにし
たことを特徴とする請求項６記載の燃料電池の電圧変換
装置。