JP2004178877A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】多種多様の最大電力の燃料電池システムを製造する場合でも、量産効果が充分発揮できる燃料電池システムを提供すること。
【解決手段】水素と酸素との反応により所定電力の発電を行う燃料電池（１２、２２）、前記燃料電池から出力される直流電圧を用いて直流電力又は交流電力を供給する給電部（１４ａ、１４ｂ、２４ａ、２４ｂ）、前記給電部の出力電力を制御する電力制御部（１６、２６）を有する複数の燃料電池ユニット（１０、２０）と、複数の燃料電池ユニットの出力電力を並列接続する並列接続結線部３０と、複数の燃料電池ユニットの出力電力分担を調整する協調運転制御部１８とを備えている。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、所定電力の発電を行う燃料電池を複数台組合せて需要家の必要とする電力を供給する燃料電池システムに関し、特に燃料電池の出力電力を標準化しながら多種多様な需要家の必要とする電力を適格に供給する燃料電池システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池システムは、水素と酸素との反応により発電するもので、例えばリン酸型、溶融炭酸塩型、固体酸化物型、固体高分子電解質型の燃料電池ユニットが用いられている。燃料電池ユニットでは、燃料電池から出力される電圧、電流をスイッチング素子により制御するＤＣ／ＤＣコンバータや、商用の交流周波数の電力を生成するＤＣ／ＡＣインバータを備えている。このような燃料電池システムでは、需要家の必要とする電力に応じた最大電力を定め、通常の運転時においては燃料電池ユニットの出力電力を低下させて対処している。
【０００３】
即ち、例えば家庭用燃料電池コジェネレーションシステムでは、家庭の熱電需要を予測して、出力電力として１ｋＷや５００Ｗ等の最大電力を決定している。従って、最大電力以下の電力需要に対しては燃料電池システムの出力を絞ることで対応できるが、最大電力以上の出力要求があっても燃料電池システムとしては対処できない。最大電力は、小型家庭用、集合住宅用、小型店舗向け、大型店舗向け、非常用電源設備のように用途によって大きく相違するため、各用途別に燃料電池システムの最大電力を定めるものとすると、多種多様の最大電力の燃料電池システムを設計・開発することになる。
【０００４】
【特許文献１】
特表平０９−５０３６１９号公報 図３
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、多種多様の最大電力の燃料電池ユニットを製造するのでは、量産効果が充分発揮できないという課題がある。即ち、燃料電池ユニットは、燃料電池本体、改質器、ＤＣ／ＤＣコンバータ、ＤＣ／ＡＣインバータ、各種補機類（エアブロア、ポンプ、センサ）等の多くの部品で構成されている。これらの部品は燃料電池ユニットの最大電力によって相違する型式であるため、顧客仕様別に燃料電池ユニットを設計したのでは、非常にコスト高になるという課題がある。
【０００６】
本発明は上述する課題を解決するもので、多種多様の最大電力の燃料電池システムを製造する場合でも、量産効果が充分発揮できる燃料電池システムを提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の燃料電池システムは、例えば図１に示すように、水素と酸素との反応により所定電力の発電を行う燃料電池（１２、２２）、前記燃料電池から出力される直流電圧を用いて直流電力又は交流電力を供給する給電部（１４ａ、１４ｂ、２４ａ、２４ｂ）、前記給電部の出力電力を制御する電力制御部（１６、２６）を有する複数の燃料電池ユニット（１０、２０）と、複数の燃料電池ユニットの出力電力を並列接続する並列接続結線部３０と、複数の燃料電池ユニットの出力電力分担を調整する協調運転制御部１８とを備えている。
【０００８】
このように構成された燃料電池システムにおいては、需要側の必要電力に応じたユニット数の、複数の燃料電池ユニットが設けられている。各燃料電池ユニットは、それぞれ燃料電池、給電部、電力制御部を有している。並列接続結線部３０は、複数の燃料電池ユニットの出力電力を並列接続するものである。協調運転制御部は、複数の燃料電池ユニットの出力電力分担を調整するもので、需要側の負荷変動に応じて、各燃料電池ユニットの稼動状態を調整して、燃料電池システム全体として最適化を行っている。これにより、燃料電池ユニットの出力電力を標準化しても、燃料電池システムを構成する燃料電池ユニット数を需要側の必要電力に応じて揃えれば良いので、製造者は燃料電池ユニットの標準化による製造コストメリットを享受でき、需要家は燃料電池システムを構成する燃料電池ユニット数を調整することで負荷電力に応じた給電を受けることが可能となり、遊休発電能力の発生する可能性が少なくて済む。
【０００９】
ここで、給電部（１４ａ、１４ｂ、２４ａ、２４ｂ）としては、燃料電池部１２から出力される直流電圧を所定の直流電圧に昇圧するＤＣ／ＤＣコンバータ（１４ａ、２４ａ）を有する第１の形式と、燃料電池部１２から出力される直流電圧を所定の交流電圧に変換するＤＣ／ＡＣインバータ（１４ｂ、２４ｂ）を有する第２の形式と、燃料電池部１２から出力される直流電圧を所定の直流電圧に昇圧するＤＣ／ＤＣコンバータ（１４ａ、２４ａ）と、ＤＣ／ＤＣコンバータ（１４ａ、２４ａ）から出力される直流電圧を所定の交流電圧に変換するＤＣ／ＡＣインバータ（１４ｂ、２４ｂ）を有する第３の形式がある。
【００１０】
好ましくは、本発明の燃料電池システムにおいて、協調運転制御部は、前記複数の燃料電池ユニットのうち、一台の電力制御部をマスター制御部とし、その余の電力制御部をスレーブ制御部とするとよい。マスター／スレーブ制御部とすることで、制御機能がマスター制御部に集中されるので、各燃料電池ユニットに同一機能の電力制御部を分散配置する場合に比較して、制御論理が簡単になる。
【００１１】
好ましくは、本発明の燃料電池システムにおいて、例えば図２に示すように、協調運転制御部は、前記複数の燃料電池ユニットの運転時間を平準化する運転平準化制御部１８１を有するとよい。燃料電池ユニットでは、故障までの運転寿命が定常運転状態での累積運転時間により定まり、例えば累積運転時間が長いほど累積故障率が増大する。そこで、燃料電池システム全体の運転寿命は、一部の燃料電池ユニットの故障により影響を受けるので、運転時間を平準化することで燃料電池システム全体の運転寿命が長くなる。
【００１２】
好ましくは、本発明の燃料電池システムにおいて、例えば図２に示すように、協調運転制御部１８は、複数の燃料電池ユニット（１０、２０）のうち、負荷電力を供給するのに必要な最小台数を演算する最小台数演算部１８２と、最小台数演算部１８２で演算された前記複数の燃料電池ユニットの最小台数に基づいて、稼動する燃料電池ユニットを定める台数制御部１８４とを備える。このように構成すると、最小台数演算部１８２によって負荷電力に応じた最小台数の燃料電池ユニットで発電するので、燃料電池ユニットの発電効率が高まる。台数制御部１８４によって具体的にバックアップ運転する燃料電池ユニットを定めるが、この選定の際に運転平準化制御部１８１を用いて燃料電池ユニットの累積運転時間を平準化するように選定するとよい。
【００１３】
好ましくは、本発明の燃料電池システムにおいて、例えば図２に示すように、協調運転制御部１８は、さらに稼動中の燃料電池ユニットに関して故障を検知したときは、当該燃料電池ユニットの運転を休止させる故障ユニット管理部１８６と、故障ユニット管理部１８６で休止された燃料電池ユニットを代替する燃料電池ユニットを、非稼動状態の燃料電池ユニットの中から選定する代替ユニット管理部１８８とを備える。このように構成すると、稼動中の燃料電池ユニットに関して故障を検知したときは、バックアップ発電する燃料電池ユニットの選定が円滑に行なえる。
【００１４】
好ましくは、本発明の燃料電池システムにおいて、例えば図６、図７に示すように、複数の燃料電池ユニットは、原燃料を改質処理して水素リッチな改質ガスを供給する改質器であって、少なくとも一台の前記改質器から前記水素の供給を受ける構成とするとよい。ここで、改質器は、一台の改質器により複数の燃料電池ユニットに改質ガスを供給する構成としても良く、また燃料電池ユニットに対して一対一に設けられていてもよい。
【００１５】
上記目的を達成するために、本発明の燃料電池システムにおいて、図８に示すように、水素と酸素との反応により所定電力の発電を行う燃料電池（１２、２２）、前記燃料電池から出力される直流電圧を用いて直流電力を供給するＤＣ／ＤＣコンバータ（１４ａ、２４ａ）、前記ＤＣ／ＤＣコンバータの出力電力を制御するＤＣ／ＤＣコンバータ制御部（１６、２６）を有する複数の燃料電池ユニット（１０、２０）と、複数の燃料電池ユニットのＤＣ／ＤＣコンバータ出力電力を並列入力して、交流電力を生成するＤＣ／ＡＣインバータ３４と、複数の燃料電池ユニットのＤＣ／ＤＣコンバータ出力電力分担を調整する協調運転制御部１８とを具備する。
【００１６】
このように構成された燃料電池システムにおいては、ＤＣ／ＡＣインバータを各燃料電池ユニットに対して統合して設けているので、各燃料電池ユニットに対して分散配置する場合に比較して、インバータの効率が向上すると共に、設置スペースや部品コストも有利となる。好ましくは、本発明の燃料電池ユニットにおいて、ＤＣ／ＡＣインバータは系統連系インバータとするとよい。系統連系インバータとすると、負荷が系統電力ケーブルから給電を受けている場合に、既設給電設備と燃料電池システムの電力ラインとの整合を取りやすくなる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。なお、各図において互いに同一あるいは相当する部材には同一符号または類似記号を付し、重複した説明は省略する。図１は本発明の第１の実施の形態を説明する構成ブロック図である。図において、燃料電池システムはメイン電力制御部を有する一台の燃料電池ユニット１０と、スレーブ電力制御部を有する一台又は複数台の燃料電池ユニット２０を有している。燃料電池ユニット１０は、燃料電池部（ＦＣ： Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ）１２、ＤＣ／ＤＣコンバータ１４ａ、ＤＣ／ＡＣインバータ１４ｂ、メイン電力制御部１６、協調運転制御部１８を備えている。燃料電池ユニット２０は、燃料電池部２２、ＤＣ／ＤＣコンバータ２４ａ、ＤＣ／ＡＣインバータ２４ｂ、スレーブ電力制御部２６を備えている。
【００１８】
燃料電池部１２は水素と酸素との反応により発電するもので、例えば固体高分子電解質型の燃料電池が用いられる。燃料電池部１２は、±極を有する単セルを直列に数十組接続して構成されており、単位セルの発電電圧は例えば０．６〜０．８Ｖ程度になっている。
【００１９】
給電部１４は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１４ａとＤＣ／ＡＣインバータ１４ｂの各１ユニットで構成されているが、給電する容量に応じて増設してもよい。ＤＣ／ＤＣコンバータ１４ａは、燃料電池部１２から出力される直流電圧を所定の直流電圧に昇圧・安定化するもので、例えば２４Ｖ等の一定電圧に出力電圧を安定化する。ＤＣ／ＡＣインバータ１４ｂは、ＤＣ／ＤＣコンバータ１４ａで安定化した直流電圧や、燃料電池部１２から出力される直流電圧を交流電圧に変換するもので、出力電圧が例えば商用電源と同一の１００Ｖ、２２０Ｖで周波数５０、６０Ｈｚ等に制御されている。ユニット内配線ケーブル１３は、燃料電池部１２から出力される直流電圧をＤＣ／ＤＣコンバータ１４ａやＤＣ／ＡＣインバータ１４ｂに供給する導線である。
【００２０】
メイン電力制御部１６は、スレーブ電力制御部２６に対する出力指示信号を供給する協調運転制御部１８を備えると共に、スレーブ電力制御部２６と同様に燃料電池部１２の稼動状態監視やＤＣ／ＤＣコンバータ１４ａやＤＣ／ＡＣインバータ１４ｂの運転状態監視を行なっている。協調運転制御部１８は、図２に説明するように、運転平準化制御部１８１、最小台数演算部１８２、台数制御部１８４、故障ユニット管理部１８６、代替ユニット管理部１８８を備えている。
【００２１】
運転平準化制御部１８１は、複数の燃料電池ユニットの運転時間を平準化することで、個別燃料電池ユニットが故障する蓋然性を均等にして、システム全体としての寿命期待値を最長化している。最小台数演算部１８２は、負荷に供給する電力に応じて、複数の燃料電池ユニット１０、２０のうち、負荷電力を供給するのに必要な最小台数を演算する。台数制御部１８４は、最小台数演算部１８２で演算された燃料電池ユニットの最小運転台数に基づいて、稼動する燃料電池ユニットを定める。故障ユニット管理部１８６は、稼動中の燃料電池ユニットに関して故障を検知したときは、当該燃料電池ユニットの運転を休止させる。代替ユニット管理部１８８は、故障ユニット管理部１８６で休止された燃料電池ユニットを代替する燃料電池ユニットを、非稼動状態の燃料電池ユニットの中から選定する。
【００２２】
燃料電池ユニット２０の燃料電池部２２、ＤＣ／ＤＣコンバータ２４ａ、ＤＣ／ＡＣインバータ２４ｂに関しては、それぞれ燃料電池部１２、ＤＣ／ＤＣコンバータ１４ａ、ＤＣ／ＡＣインバータ１４ｂの説明を援用する。スレーブ電力制御部２６は、メイン電力制御部１６からの出力指示信号に従って燃料電池部２２の稼動状態監視、ＤＣ／ＤＣコンバータ２４ａ、ＤＣ／ＡＣインバータ２４ｂの運転状態監視を行なっている。ユニット内配線ケーブル２３は、燃料電池部２２から出力される直流電圧をＤＣ／ＤＣコンバータ２４ａやＤＣ／ＡＣインバータ２４ｂに供給する導線である。
【００２３】
並列接続結線部としての電力供給ケーブル３０は、燃料電池ユニット１０、２０から出力される直流電力又は交流電力と負荷５０とを接続する導線である。制御信号ケーブル４０は、メイン電力制御部１６とスレーブ電力制御部２６とを接続する導線で、ここでは燃料電池ユニット１０と傘下の燃料電池ユニット２０とを一対一に接続している。そこで、制御信号ケーブル４０の本数は、傘下の燃料電池ユニット２０の台数に一致する。メイン電力制御部１６とスレーブ電力制御部２６との間の通信プロトコルは、例えば双方向ディジタル通信のような機器制御に汎用的に用いられている通信プロトコルを利用するとよい。制御信号ケーブル４０には、メイン電力制御部１６とスレーブ電力制御部２６との間で授受される制御信号が流れる。
【００２４】
負荷５０は電力を駆動源とする電子機器で、例えば家庭用であれば商用電源を電力とするテレビ、エアコン、冷蔵庫、蛍光灯のような機器が該当する。負荷５０として給湯器が用いられる場合には、燃料電池部１２、２２にて発電に付随して発生する熱を用いて、給湯水の加熱を行なうように構成すると、熱効率が高まる。負荷電力測定部５２は、負荷５０で消費される電力量を計測するもので、例えば汎用的な電力計を用いる。
【００２５】
このように構成された装置においては、協調運転制御部１８によって、負荷５０の必要とする電力に応じて、燃料電池部１２、２２で発生させる電力量を定める。燃料電池部は、定格出力の１００％近辺で運転すると発電効率が高いので、全ての燃料電池部１２、２２で定格出力により電力を供給すると負荷５０の必要とする電力に余剰分が発生する場合には、協調運転制御部１８によって、一部の燃料電池部を稼動状態とし、残余の燃料電池部を非稼動状態とするとよい。協調運転制御部１８は、発電効率が最適になるように、各燃料電池部１２、２２の発電量を指示する構成としても良い。
【００２６】
個別の燃料電池部１２、２２には水素と酸素が供給されて、発電を行う。水素と酸素は、例えばメタンガスやガソリンのような炭化水素系燃料を改質器（図示せず）に供給して生成する。また、酸素としては大気中の酸素も利用される。燃料電池部１２、２２で発電された電気は、ユニット内配線ケーブル１３、２３を経由してＤＣ／ＤＣコンバータ１４ａ、２４ａやＤＣ／ＡＣインバータ１４ｂ、２４ｂに供給される。ＤＣ／ＤＣコンバータ１４ａ、２４ａからは、安定化された出力電圧の直流電力が供給される。ＤＣ／ＡＣインバータ１４ｂ、２４ｂからは、安定化された出力電圧の交流電力が供給される。燃料電池部１２、２２で発生された電力は、電力供給ケーブル３０を介して負荷５０に供給される。
【００２７】
図３は、負荷の需要電力に応じて、協調運転制御部の台数制御により、複数の燃料電池ユニット▲１▼、▲２▼、▲３▼が稼動する状態の説明図である。なお、ここでは説明の便宜上、供給電力として稼動状態の燃料電池ユニットの定格出力の総和を示しているが、現実には定格出力ではなく負荷電力に応じた発電がなされている。まず負荷需要が発生すると、負荷電力測定部５２で測定した負荷電力が最小台数演算部１８２に送られる。最小台数演算部１８２の演算した台数が、台数制御部１８４に送られる。台数制御部１８４により燃料電池ユニット▲１▼が１台目として稼動する（時刻ｔ１）。さらに負荷需要が増大すると、最小台数演算部１８２により２台目の稼動が必要と判断され、台数制御部１８４により燃料電池ユニット▲２▼が２台目として稼動する（時刻ｔ２）。さらに負荷需要が増大すると、最小台数演算部１８２により３台目の稼動が必要と判断され、台数制御部１８４により燃料電池ユニット▲３▼が３台目として稼動する（時刻ｔ３）。その後負荷需要が減少すると、最小台数演算部１８２により３台目の稼動を停止させるべきと判断され、運転平準化制御部１８１によって最初に稼動を開始した燃料電池ユニット▲１▼の発電が停止される（時刻ｔ４）。さらに負荷需要が減少すると、最小台数演算部１８２により２台目の稼動を停止させるべきと判断され、運転平準化制御部１８１によって２番目に稼動を開始した燃料電池ユニット▲２▼の発電が停止される（時刻ｔ５）。負荷需要がなくなると、台数制御部１８４により一台だけ稼動していた燃料電池ユニット▲３▼の発電が停止される（時刻ｔ６）。
【００２８】
負荷需要が２台の燃料電池ユニット▲１▼、▲２▼の運転で充分なときは、最小台数演算部１８２と運転平準化制御部１８１により燃料電池ユニット▲１▼、▲２▼の稼動と停止の運転管理がなされる（時刻ｔ７〜ｔ１０）。その後、負荷需要が３台の燃料電池ユニット▲１▼、▲２▼、▲３▼の運転が必要な状態まで増大すると、最小台数演算部１８２と運転平準化制御部１８１により燃料電池ユニット▲３▼→▲１▼→▲２▼の順で稼動と停止の運転管理がなされる（時刻ｔ１１〜ｔ１６）。
【００２９】
図４は稼動中の燃料電池ユニットに故障が発生した場合のバックアップ運転の説明図である。ここで、負荷電力が燃料電池システムの定格出力に相当している場合に、燃料電池ユニット▲１▼、▲２▼、▲３▼が常用機、燃料電池ユニット▲４▼が予備機として運用される場合を示している。負荷需要の増大に応じて、最小台数演算部１８２と運転平準化制御部１８１により燃料電池ユニット▲１▼、▲２▼、▲３▼の稼動開始の運転管理がなされる（時刻ｔ２１〜ｔ２３）。燃料電池ユニット▲３▼に故障が発生すると、故障ユニット管理部１８６が故障発生を検知して、代替ユニット管理部１８８により非稼動状態の燃料電池ユニット▲４▼によるバックアップ運転が開始される（時刻ｔ２４）。その後、負荷需要の減少に応じて、最小台数演算部１８２と運転平準化制御部１８１により燃料電池ユニット▲１▼、▲２▼、▲４▼の稼動停止の運転管理がなされる（時刻ｔ２５〜ｔ２７）。燃料電池ユニット▲３▼が故障状態から復旧すると、故障ユニット管理部１８６は正常状態への復帰を検知する（時刻ｔ２８）。
【００３０】
次に、負荷需要が増大する途中で燃料電池ユニットに故障が発生する場合について説明する。負荷需要の増大に応じて、最小台数演算部１８２と運転平準化制御部１８１により燃料電池ユニット▲１▼、▲２▼の稼動開始の運転管理がなされる（時刻ｔ２９、ｔ３０）。燃料電池ユニット▲２▼に故障が発生すると、故障ユニット管理部１８６が故障発生を検知して、代替ユニット管理部１８８により非稼動状態の燃料電池ユニット▲３▼によるバックアップ運転が開始される（時刻ｔ３１）。その後負荷需要がさらに増大したので、最小台数演算部１８２により３台目の稼動開始が指示されると、燃料電池ユニット▲４▼が稼動開始する（時刻ｔ３２）。その後、負荷需要の減少に応じて、最小台数演算部１８２と運転平準化制御部１８１により燃料電池ユニット▲１▼、▲３▼、▲４▼の稼動停止の運転管理がなされる（時刻ｔ３３〜ｔ３５）。燃料電池ユニット▲２▼が故障状態から復旧すると、故障ユニット管理部１８６は正常状態への復帰を検知する（時刻ｔ３６）。
【００３１】
続いて、負荷需要が増大する状態で燃料電池ユニットに故障が発生する場合に、稼動中の燃料電池ユニットとバックアップ運転の燃料電池ユニットの運転時間管理をする場合の、相互の関係について説明する。負荷需要の増大に応じて、最小台数演算部１８２と運転平準化制御部１８１により燃料電池ユニット▲１▼、▲２▼、▲３▼の稼動開始の運転管理がなされる（時刻ｔ３７〜ｔ３９）。燃料電池ユニット▲２▼に故障が発生すると、故障ユニット管理部１８６が故障発生を検知して、代替ユニット管理部１８８により非稼動状態の燃料電池ユニット▲４▼によるバックアップ運転が開始される（時刻ｔ４０）。このとき、運転平準化制御部１８１が燃料電池ユニット▲３▼、▲４▼の累積稼動時間を管理しており、燃料電池ユニット▲３▼の累積稼動時間は燃料電池ユニット▲４▼よりも長かった。そこで、運転平準化制御部１８１は故障した燃料電池ユニット▲２▼に対するバックアップ運転は燃料電池ユニット▲３▼によるものと見なし、負荷需要の増大に応じて３台目として稼動した燃料電池ユニット▲３▼は、燃料電池ユニット▲２▼の故障発生により燃料電池ユニット▲４▼に引継がれたと見なす。その後、負荷需要の減少に応じて、最小台数演算部１８２と運転平準化制御部１８１により燃料電池ユニット▲１▼、▲３▼、▲４▼の稼動停止の運転管理がなされる（時刻ｔ４１〜ｔ４３）。燃料電池ユニット▲２▼が故障状態から復旧すると、故障ユニット管理部１８６は正常状態への復帰を検知する（時刻ｔ４４）。
【００３２】
図５は本発明の第２の実施の形態を説明する構成ブロック図である。第１の実施の形態では、制御信号ケーブル４０によって、燃料電池ユニット１０と傘下の燃料電池ユニット２０とを一対一に接続している。しかし、制御信号ケーブル４０の接続は、燃料電池ユニット２０の台数が増加すると負担になる。第２の実施の形態では、制御信号ケーブル４０に代えて通信線４２を用いている。通信線４２は、単一の通信回線を形成するもので、例えば燃料電池ユニット１０と隣接する燃料電池ユニット２０を接続する通信線と、燃料電池ユニット２０相互間をリレー方式で接続する通信線で構成されている。通信線４２には、例えば公知のデイジーチェイン接続を用いるとよい。
【００３３】
このように構成すると、燃料電池ユニット１０に管理される燃料電池ユニット２０の台数が増加しても、通信線４２は既設の燃料電池ユニット２０と増設の燃料電池ユニット２０相互間を接続すれば良い。そこで、第１の実施の形態のように制御信号ケーブル４０を用いて増設の燃料電池ユニット２０と燃料電池ユニット１０とを接続する場合に比較して、第２の実施の形態では燃料電池ユニット１０の通信線４２に対する接続コネクタ形状の汎用性が増すと共に、通信線４２の接続工事も簡単になる。
【００３４】
図６は本発明の第３の実施の形態を説明する構成ブロック図である。第１、第２の実施の形態では、水素ガスと酸素（空気）を燃料電池ユニット１０と傘下の燃料電池ユニット２０に供給する場合を示している。しかし、水素ガスは液化することが困難であり、工業的な取扱いが困難である。そこで、水素ガスを生成する改質器を、燃料電池ユニット２０に内蔵させる構成が採用できる。改質器は、供給された灯油、ガソリン、プロパンガスのような炭化水素系原料を、触媒を用いて水素ガスと二酸化炭素に変換するものである。
【００３５】
図６において、燃料電池ユニット１０には改質器１１が内蔵され、燃料電池ユニット２０には改質器２１が内蔵されている。改質器１１、２１は、供給された炭化水素系原料から水素ガスを生成して、燃料電池部１２、２２に供給している。このように構成すると、燃料電池ユニット１０、２０に対して、水素ガスに比較して取扱いが容易な炭化水素系原料を供給すれば良く、燃料電池システムの利便性が高まる。
【００３６】
図７は本発明の第４の実施の形態を説明する構成ブロック図である。第１〜第３の実施の形態では、燃料電池ユニット１０、２０で生成される電力は、電力供給ケーブル３０を介して負荷に供給されている。しかし、家庭内や需要家施設内では、商用電源を前提とした既設の系統電力ケーブル３２が敷設されている。そこで、第４の実施の形態では、既設の系統電力ケーブル３２に対して電力供給ケーブル３０を介して電力を供給できる構成とする。ここで、系統とは、火力・原子力・水力の各発電所から送電線・変電所・配電線をへて需要家に至るまでの全ての要素を含むもので、系統運用によって需要家の要求する電力を一定の周波数・電圧で停電することなく経済的に供給する必要がある。
【００３７】
図において、燃料電池ユニット１０、２０にはＤＣ／ＡＣインバータ１４ｂ、２４ｂに代えて、系統連系インバータ１４ｃ、２４ｃが用いられている。系統連系インバータは、既設の系統電力ケーブル３２に供給されている一定の周波数・電圧の交流電力に対して、位相と周波数・電圧を適合させて燃料電池ユニット１０、２０の電力を供給するものである。
【００３８】
このように構成すると、需要家にとって既設系統設備が利用できると共に、燃料電池ユニット１０、２０での発電が不足するとき系統電力を補充的に利用することができる。
【００３９】
図８は本発明の第５の実施の形態を説明する構成ブロック図である。第４の実施の形態では、系統連系インバータ１４ｃ、２４ｃは各燃料電池ユニット１０、２０に分散配置されている。しかし、系統連系インバータから供給される電力は、既設の系統電力ケーブル３２に流れる系統電力に対して、整合が取れている必要がある。この場合、系統連系インバータが各燃料電池ユニットに分散配置されていると、各系統連系インバータ間でバラツキが発生して好ましくない場合がある。そこで、第５の実施の形態では、各燃料電池ユニット１０、２０に分散配置されたＤＣ／ＤＣコンバータ１４ａ、２４ａの直流電力を一旦電力供給ケーブル３０で集めて、統合配置された系統連系インバータ３４を用いて系統電力波形に適合するように交流電力を発生して、既設の系統電力ケーブル３２に供給している。ＤＣ／ＤＣコンバータ１４ａ、２４ａの直流電力を制御するために、メイン電力制御部１６とスレーブ電力制御部２６がＤＣ／ＤＣコンバータ制御部として作用する。系統連系インバータ３４の電力容量は、分散配置された系統連系インバータ１４ｃ、２４ｃの電力容量を積算したものに相当している。
【００４０】
なお、上記の実施の形態においては、各燃料電池ユニット１０、２０の定格出力は同一であっても良く、また異なる定格出力の燃料電池ユニットを組合せても良い。図９は、家庭用の燃料電池ユニットの定格出力の一例を示す図で、（Ａ）は１ｋＷ、（Ｂ）は５ｋＷ、（Ｃ）は１０ｋＷである。燃料電池ユニットは、定格出力に適合するように、各種形状の燃料電池部、ＤＣ／ＤＣコンバータ、ＤＣ／ＡＣインバータ等を備えている。
【００４１】
【発明の効果】
以上のように本発明の燃料電池システムによれば、水素と酸素との反応により所定電力の発電を行う燃料電池、前記燃料電池から出力される直流電圧を用いて直流電力又は交流電力を供給する給電部、前記給電部の出力電力を制御する電力制御部を有する複数の燃料電池ユニットと、複数の燃料電池ユニットの出力電力を並列接続する並列接続結線部と、複数の燃料電池ユニットの出力電力分担を調整する協調運転制御部とを備えている。そこで、燃料電池システムを構成する燃料電池ユニット数を需要側の必要電力に応じて揃えれば良いので、製造者は燃料電池ユニットの標準化による製造コストメリットを享受できる。また、需要家は燃料電池システムを構成する燃料電池ユニット数を調整することで、負荷電力に応じた給電を受けることが可能となり、遊休発電能力の発生する可能性が少なくて済む。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態を説明する構成ブロック図である。
【図２】協調運転制御部の詳細を説明する構成ブロック図である。
【図３】負荷の需要電力に応じて、協調運転制御部の台数制御により、複数の燃料電池ユニット▲１▼、▲２▼、▲３▼が稼動する状態の説明図である。
【図４】稼動中の燃料電池ユニットに故障が発生した場合のバックアップ運転の説明図である。
【図５】本発明の第２の実施の形態を説明する構成ブロック図である。
【図６】本発明の第３の実施の形態を説明する構成ブロック図である。
【図７】本発明の第４の実施の形態を説明する構成ブロック図である。
【図８】本発明の第５の実施の形態での制御機能を説明する構成ブロック図である。
【図９】家庭用の燃料電池ユニットの定格出力の一例を示す図である。
【符号の説明】
１０、２０ 燃料電池ユニット
１２、２２ 燃料電池部
１４ 給電部
１４ａ、２４ａ ＤＣ／ＤＣコンバータ
１４ｂ、２４ｂ ＤＣ／ＡＣインバータ
１４ｃ、２４ｃ、３４ 系統連系インバータ
１６ メイン電力制御部
１８ 協調運転制御部
２６ スレーブ電力制御部
３０ 電力供給ケーブル（並列接続結線部）
４０ 制御信号ケーブル

Claims (7)

1. 水素と酸素との反応により所定電力の発電を行う燃料電池、前記燃料電池から出力される直流電圧を用いて直流電力又は交流電力を供給する給電部、前記給電部の出力電力を制御する電力制御部を有する複数の燃料電池ユニットと；
   前記複数の燃料電池ユニットの出力電力を並列接続する並列接続結線部と；
   前記複数の燃料電池ユニットの出力電力分担を調整する協調運転制御部と；
   を具備する燃料電池システム。
2. 前記協調運転制御部は、前記複数の燃料電池ユニットのうち、一台の電力制御部をマスター制御部とし、その余の電力制御部をスレーブ制御部とする請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記協調運転制御部は、前記複数の燃料電池ユニットの運転時間を平準化する運転平準化制御部を有する請求項２に記載の燃料電池システム。
4. 前記協調運転制御部は；
   前記複数の燃料電池ユニットのうち、負荷電力を供給するのに必要な最小台数を演算する最小台数演算部と；
   前記最小台数演算部で演算された前記複数の燃料電池ユニットの最小台数に基づいて、稼動する燃料電池ユニットを定める台数制御部と；
   を備える請求項１乃至請求項３の何れか１項に記載の燃料電池システム。
5. 前記協調運転制御部は、さらに；
   稼動中の燃料電池ユニットに関して故障を検知したときは、当該燃料電池ユニットの運転を休止させる故障ユニット管理部と；
   前記故障ユニット管理部で休止された燃料電池ユニットを代替する燃料電池ユニットを、非稼動状態の燃料電池ユニットの中から選定する代替ユニット管理部と；
   を備える請求項４に記載の燃料電池システム。
6. 前記複数の燃料電池ユニットは、原燃料を改質処理して水素リッチな改質ガスを供給する改質器であって、少なくとも一台の前記改質器から前記水素の供給を受ける構成とする請求項１乃至請求項５の何れか１項に記載の燃料電池システム。
7. 水素と酸素との反応により所定電力の発電を行う燃料電池、前記燃料電池から出力される直流電圧を用いて直流電力を供給するＤＣ／ＤＣコンバータ、前記ＤＣ／ＤＣコンバータの出力電力を制御するＤＣ／ＤＣコンバータ制御部を有する複数の燃料電池ユニットと；
   前記複数の燃料電池ユニットのＤＣ／ＤＣコンバータ出力電力を並列入力して、交流電力を生成するＤＣ／ＡＣインバータと；
   前記複数の燃料電池ユニットのＤＣ／ＤＣコンバータ出力電力分担を調整する協調運転制御部と；
   を具備する燃料電池システム。

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