JP2000036312A - 直流出力燃料電池発電装置 - Google Patents

直流出力燃料電池発電装置

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JP2000036312A JP10201968A JP20196898A JP2000036312A JP 2000036312 A JP2000036312 A JP 2000036312A JP 10201968 A JP10201968 A JP 10201968A JP 20196898 A JP20196898 A JP 20196898A JP 2000036312 A JP2000036312 A JP 2000036312A
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    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Abstract

(57)【要約】 【課題】 燃料電池発電装置の運用効率を低下させない
ようにする。 【解決手段】 燃料電池発電装置部２０を電解槽３の整
流器電源１０と連系して運用する場合に、電力制御部３
２を設けて燃料電池２１から給電されるコンバータ部３
０の出力電力が一定となるよう定電力制御するととも
に、コンバータ保護検出部３５によりコンバータ部３０
の過電流，過電圧，不足電圧，過負荷のいずれかを検出
したら、コンバータ部３０を停止させる代わりにダミー
ヒータ２７を投入し、かつ補機専用のインバータ２３を
起動することにより補機２２の電源を確保する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】この発明は、燃料電池の出力
をコンバータ等の直流変換装置を介して電解槽等の直流
電源と並列運転を行なう、直流出力燃料電池発電装置に
関する。
【０００２】
【従来の技術】燃料電池，蓄電池等の直流電源を電解槽
等の別の直流電源と並列運転するものとして、例えば特
開平２−１２５３１２号公報（従来例）に示すものが知
られている。このようなシステムでは、燃料電池出力を
並列する相手の電圧に合わせるための電圧調整を要する
ことから、上記従来例ではコンバータ等の電力変換器の
出力電圧に対し垂下特性を持たせて対処している。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】上記従来例の直流負荷
設備は、簡単な設備点検を通常設備の連続運転中に行な
うために、負荷の一部を短絡する作業を日常的に実施す
る。通常は、主電源である電解槽電源（整流器電源）に
対して並設される燃料電池発電装置の容量が非常に小さ
いので、この短絡時の電圧変動に対して、上記並列運転
用のコンバータが過電流を発生したり、または、電圧調
整範囲外の出力不足電圧になったりして、コンバータが
保護停止することで燃料電池も非常停止せねばならない
が、燃料電池は再起動時間が長いため、設備利用効率の
悪化を招くという問題が発生する。
【０００４】また、別の問題として、商用電源系統に瞬
時停電（瞬停）が発生した場合は、電解槽電源である整
流器電源は一旦停止して商用系統復帰後に再起動を行な
い、電解のための電力供給を再開できるが、従来の直流
出力燃料電池は停電により補機動力がなくなると、消防
法上の制約からシステムを停止して、直ちに窒素パージ
をしなければならず、系統復電後も再起動にかなりの時
間を要し、この点でも設備運用効率が悪い。さらには、
直流出力を行なうためのコンバータ設備の電圧調整部に
垂下特性を持たせると、常時の電圧変動が燃料電池の出
力電力の常時変動となって発生することから、燃料電池
がガス欠状態になりやすい、という問題もある。したが
って、この発明の課題は、燃料電池をできるだけ停止さ
せずに運転を継続できるようにし、運転効率を低下させ
ないようにすることにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】このような課題を解決す
べく、この発明では、燃料電池の直流出力を直流変換す
るコンバータを、整流器電源を含む直流電源と並列運転
する直流出力燃料電池発電装置において、前記コンバー
タの出力電力を検出してコンバータ電力信号を発生する
コンバータ電力検出部と、このコンバータ電力信号をフ
ィードバック信号としてコンバータ出力を一定にするた
めの制御を行なうべくコンバータ主回路のゲート信号を
発生する電力制御部と、コンバータ出力端の電圧と電流
を検出して出力過電流と出力過負荷と出力不足電圧と出
力過電圧の保護検出をしたときに保護検出信号を発生す
るコンバータ保護検出部と、燃料電池が開放電圧になる
ことを防止するためのダミーヒータ部と、燃料電池の補
機に必要な電力を停電時に燃料電池から取り出すための
インバータ部と、商用系統停電時に停電発生を検出して
停電検出信号を発する停電検出部と、商用系統停電時に
燃料電池補機電力を商用側からインバータ部に切り換え
るための補機電源切換スイッチ部とを設け、前記保護検
出信号をコンバータを停止させるためのゲートブロック
信号とし、前記停電検出信号を前記補機電源切換スイッ
チ部の切換信号およびインバータ部の起動信号とし、か
つ、保護検出信号と停電検出信号との論理和信号を前記
ダミーヒータ部投入のための信号として用いるようにし
ている。
【０００６】
【発明の実施の形態】図１はこの発明の実施の形態を示
す構成図で、これは燃料電池を、電解槽電源としてのダ
イオード整流器電源と並列運転する場合の例を示す。図
１において、符号３は負荷となる電解槽ユニットで、通
常は数個ないしは１０個程度の電解セルから構成され
る。符号４は、運転中に電解槽３のメンテナンスをする
ためのスイッチである。３ｈは電解槽３から電解副生す
る燃料電池の燃料になる水素ガスの供給ラインで、副生
水素はバッファタンク８により一旦蓄えられて燃料電池
に供給される。また、９は空気で、発電中の燃料電池に
常時供給されている。符号１０は電解槽３に電解電力を
供給するための整流器電源部で、主に電圧調整器１１と
ダイオード整流器スタック１２とからなり、整流器電流
検出回路（ＣＴ）１４により計測される電流計測信号１
４ａを、フィードバック信号とする位相調節回路１３に
より位相調節信号４１ｉに一致させるよう調節する。な
お、整流器電源部１０は、図示されない断路器，遮断器
等を介して電力系統と接続されている。
【０００７】燃料電池発電システムは燃料電池発電装置
部２０とコンバータ部３０とに分かれており、燃料電池
発電装置部２０は副生水素３ｈと空気９により直流電力
を発生する燃料電池セルスタック２１と、燃料電池の冷
却ポンプ等の補機２２と、商用系停電時に補機動力を供
給するための補機電源インバータ２３と、コンバータ部
３０が停止した時に燃料電池セルスタック２１が開放電
圧になることを防止するためのダミーヒータ２５と、常
時は商用系統側に投入されており、商用系停電時に補機
電源切換信号７ｓｗで補機電源インバータ２３側に切り
換えられる補機電源切換スイッチ２６とを主な構成要素
としており、常時は商用電力系統から変圧器５により降
圧された電力を遮断器（常時閉）を経て受電し、補機２
２の動力としている。商用電力系統の停電は停電検出回
路７にて電圧が所定の電圧値以下になった時に検出さ
れ、停電検出回路７は停電時に切換信号７ｓｗを出力す
る。
【０００８】燃料電池部の直流出力を、整流器電源部１
０の出力と並列運転するためのコンバータ部３０は、例
えばＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）等
のスイッチ素子で構成されるコンバータ主回路３１と、
コンバータ主回路出力の電圧と電流を計測して電力信号
３３ｐを出力する電力検出部３３と、電力信号３３ｐを
フィードバック信号として目標となる設定値信号３２ｏ
になるよう、コンバータ主回路出力を一定にするための
ゲート信号ｇを発生し、電力一定（ＡＰＲ）制御を行な
う電力制御回路３２と、コンバータ出力電圧，電流を入
力され、これを所定の保護設定値と比較し、出力過電流
と出力過負荷と出力不足電圧と出力過電圧の保護検出を
行なう保護検出回路３５とを主な構成要素としている。
【０００９】通常時の動作は、電解槽３への電解電力の
大半は、整流器電源回路１０によって賄われ、燃料電池
発電装置部２０の直流出力は、コンバータ部３０の電力
制御部３２の一定電力制御により一定出力となり、整流
器電源回路１０に並列運転して電解槽３に電力を補給し
ている。電解槽３は電解を実施しながら、燃料電池の発
電燃料の副生水素３ｈを生成し続ける。電解槽の運用計
画に従った電解槽供給電流は整流器電流設定部４０によ
り、コンバータ部３０の出力電流を検出する電流検出器
３４の電流信号３４ａと、運用目標電流設定値４２ａと
の差（４２ａ−３４ａ）を調整幅として、フィードバッ
ク回路等で構成される整流器電流調節器４１で電圧調整
器１１の目標信号４１ｉを生成して調節運転している。
【００１０】ここで、電解槽のメンテナンスが必要にな
ると、一般的にメンテナンスを行なう電解槽３の短絡ス
イッチ４を短絡して、電解槽３の電解液を抜き取る。短
絡スイッチ４を短絡すると、整流器電源部１０よりもコ
ンバータ部３０の動作速度が早いことから（一般的に容
量の大きな整流器電源は動作速度が遅いため）、電解槽
３の電圧降下によりコンバータ部３０は電力制御部３２
の出力一定制御のために、コンバータ主回路３１の出力
電流は瞬時に増加する。通常、このときに出力電流が保
護検出回路３５の過電流保護設定値か出力過負荷保護設
定値よりも大きくなり（制御回路のオーバシュート等
で）、保護検出回路３５は保護検出信号３５ｇｂを出力
する。保護検出信号３５ｇｂは電力制御部３２に入力さ
れ、ゲートブロック信号として機能するように構成され
ているので、コンバータ主回路３１は停止する。
【００１１】また、保護検出信号３５ｇｂはＯＲロジッ
ク（論理和）回路５０に入力され、ＯＲロジック回路５
０はダミーヒータ２５の投入スイッチ２７の投入信号で
ある信号５０ｏｎを出力する。燃料電池セルスタック２
１の余剰電力はダミーヒータ２５で消費され、燃料電池
発電装置部２０はコンバータ部３０が停止しても運転を
継続できる。燃料電池の直流出力が減少した分は、整流
器電流設定部４０の差電流検出器４２により補償され
て、整流器電源部１０の出力電流が増加することで、電
解槽３も必要な電流を供給されて運転を継続することに
なる。この後に、燃料電池発電装置部２０とコンバータ
部３０を元の状態で運転したければ、コンバータ部３０
の保護検出回路３５にリセット信号ｒｓを投入すること
で、保護検出回路３５はリセットされ、保護検出信号３
５ｇｂもリセットし電力制御部３２のゲートブロック信
号もリセットするので、コンバータ主回路３１と電力制
御部３２は再起動し、かつ保護検出信号３５ｇｂも無く
なることでＯＲロジック回路５０の出力はＯＦＦ（オ
フ）となり、ダミーヒータ２５は燃料電池セルスタック
２１から開放されて、元の状態に戻る。保護検出回路３
５が不足電圧保護検出と過電圧検出を行なった場合につ
いての説明は省略するが、上記と同様の方法で燃料電池
発電装置部２０は運転を継続することができる。
【００１２】次に、商用系統停電が発生すると、停電検
出回路７は切換信号７ｓｗを出すので、補機電源切換ス
イッチ２６は常時の商用系統側から補機電源インバータ
２３側に切り換わり、また、切換信号７ｓｗは補機電源
インバータ２３の起動指令でもあるのでインバータ２３
が起動され、燃料電池内の補機２２の動力は燃料電池自
身で賄われるので、商用系統停電時にも運転を継続する
ことができる。また、この商用系統の停電で電解槽３の
整流器電源部１０が停止した場合には、コンバータ部３
０の保護検出回路３５が上記のように保護検出するた
め、コンバータ主回路３１と電力制御部３２は停止し、
保護検出信号３５ｇｂにより燃料電池発電装置部２０の
ダミーヒータ投入スイッチ２７を投入してダミーヒータ
２５を投入し、これにより燃料電池発電装置部２０は独
立した状態で運転を継続できる。
【００１３】その後、商用系統の停電が復帰した後に
は、停電検出回路７より出力していた切換信号７ｓｗが
ＯＦＦになるので、補機電源切換スイッチ２６は商用系
統側に切り換わり、補機電源インバータ２３も停止す
る。同様に、整流器電源部１０が復電して、かつコンバ
ータ部３０のリセット信号ｒｓがＯＮされると、コンバ
ータ部３０は再起動して、システム全体が元の定常運転
状態に戻ることになる。なお、定常運転中に電解槽３の
短絡スイッチ４を全部短絡すると、コンバータ部３０は
電力制御部３２により出力一定制御を行なっており、瞬
時の出力電流が非常に大きくなるので、瞬間的にコンバ
ータ主回路３１へのゲート信号ｇが開放状態となり、コ
ンバータ主回路３１が全導通となって破損する可能性が
あるため、図示はしていないが、コンバータ部３０の電
力制御部３２が出力するゲート信号ｇには上限リミット
を掛けるのが一般的である。
【００１４】
【発明の効果】この発明によれば、コンバータ等の電力
変換器に外乱で保護が発生した場合や商用系統停電時に
も燃料電池を継続運転することができ、かつ、常時の運
転でも負荷側の変動による出力側の電圧変動があって
も、燃料電池を停止することなく一定出力で運転を継続
することができるという利点が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態を示す回路図である。
【符号の説明】
３…電解槽、４…短絡スイッチ、７…停電検出回路、８
…副生水素バッファタンク、９…空気および空気供給ラ
イン、１０…整流器電源部、１１…電圧調整器、１２…
ダイオード整流器スタック、１３…位相調節回路、１４
…整流器電流検出回路（ＣＴ）、２０…燃料電池発電装
置部、２１…燃料電池セルスタック、２２…補機、２３
…補機電源インバータ、２５…ダミーヒータ、２６…補
機電源切換スイッチ、２７…ダミーヒータ投入スイッ
チ、３０…コンバータ部、３１…コンバータ主回路、３
２…電力制御回路、３３…コンバータ出力電力検出部、
３４…電流検出器、３５…コンバータ保護検出回路、４
０…整流器電流設定部、４１…整流器電流調節器、４２
…差電圧検出部、５０…ＯＲロジック回路。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 5G015 FA02 FA16 GB06 HA01 HA16 JA04 JA25 JA32 JA64 KA05 5H027 DD01 KK51 MM26 MM27 5H420 BB03 BB14 CC03 CC06 CC08 DD03 EA02 EA47 EB05 EB09 EB39 FF04 FF22 FF23 LL02 LL03 LL05

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 燃料電池の直流出力を直流変換するコン
    バータを、整流器電源を含む直流電源と並列運転する直
    流出力燃料電池発電装置において、 前記コンバータの出力電力を検出してコンバータ電力信
    号を発生するコンバータ電力検出部と、このコンバータ
    電力信号をフィードバック信号としてコンバータ出力を
    一定にするための制御を行なうべくコンバータ主回路の
    ゲート信号を発生する電力制御部と、コンバータ出力端
    の電圧と電流を検出して出力過電流と出力過負荷と出力
    不足電圧と出力過電圧の保護検出をしたときに保護検出
    信号を発生するコンバータ保護検出部と、燃料電池が開
    放電圧になることを防止するためのダミーヒータ部と、
    燃料電池の補機に必要な電力を停電時に燃料電池から取
    り出すためのインバータ部と、商用系統停電時に停電発
    生を検出して停電検出信号を発する停電検出部と、商用
    系統停電時に燃料電池補機電力を商用側からインバータ
    部に切り換えるための補機電源切換スイッチ部とを設
    け、 前記保護検出信号をコンバータを停止させるためのゲー
    トブロック信号とし、前記停電検出信号を前記補機電源
    切換スイッチ部の切換信号およびインバータ部の起動信
    号とし、かつ、保護検出信号と停電検出信号との論理和
    信号を前記ダミーヒータ部投入のための信号として用い
    ることを特徴とする直流出力燃料電池発電装置。
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