JP2004362787A

JP2004362787A - 蓄電手段付燃料電池システム

Info

Publication number: JP2004362787A
Application number: JP2003156143A
Authority: JP
Inventors: Yoshimi Miyamoto; 好美宮本; Kazuichi Sugiyama; 和一杉山
Original assignee: Hitachi Home and Life Solutions Inc
Current assignee: Hitachi Appliances Inc
Priority date: 2003-06-02
Filing date: 2003-06-02
Publication date: 2004-12-24

Abstract

【課題】負荷変動時に燃料電池システムの出力が系統に逆潮流することを防止する。
【解決手段】燃料電池と該燃料電池の出力電流を任意の所定値に制御する電流制御手段と、二次電池よりなる蓄電手段と該蓄電手段の充放電電流を制御する充放電制御手段と、商用電源のメインブレーカに流れる系統電流を計測する系統電流計測手段と、商用電源の電圧を計測する交流電圧計測手段と、燃料電池の出力電圧を計測する燃料電池電圧計測手段と、蓄電手段の電圧を計測する蓄電電圧計測手段と、前記燃料電池の出力及び蓄電手段の放電出力を商用電源に系統連系出力する電力変換手段を具備し、負荷の消費電力に応じて燃料電池の出力と蓄電手段の充放電電力を制御するようにした。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は商用電源に系統連系出力する蓄電手段付燃料電池システムに係り、発電した電力を系統側に逆潮流させずに有効活用する燃料電池システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池と蓄電池を組合わせて、燃料電池のストレスを少なくするとともに発電電力を有効活用する技術として、例えば特開平１１−６７２５３号公報には、燃料電池と蓄電池を並列接続して、交流負荷の変動によるインバータの出力変動蓄電池の充放電で補償する技術が開示されている。
【０００３】
【特許文献１】
特開平１１−６７２５３号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
このような構成の蓄電池付燃料電池システムでは、負荷電力の変動に対応することはできるが、系統への逆潮流は考慮されていないため、このような発電システムが局所集中的に設置された場合に、交流負荷が少ないときに、系統への逆潮流が特定の配電系統に集中連系出力されるため、系統への影響が生じる可能性がある。今後、このような発電システムは急激な普及が予想され、集中連系に係る課題は早急に解決すべきものである。
【０００５】
本発明は、係る課題に対し、等価的な逆潮流を低減または防止し、かつ燃料電池で発電されたエネルギーを高効率で活用することを目的としている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するため、次のようにした。
【０００７】
即ち、本発明の請求項１記載の発明は、燃料電池と該燃料電池の出力電流を任意の所定値に制御する電流制御手段と、二次電池よりなる蓄電手段と該蓄電手段の充放電電流を制御する充放電制御手段と、商用電源のメインブレーカに流れる系統電流を計測する系統電流計測手段と、商用電源の電圧を計測する交流電圧計測手段と、燃料電池の出力電圧を計測する燃料電池電圧計測手段と、蓄電手段の電圧を計測する蓄電電圧計測手段と、前記燃料電池の出力及び蓄電手段の放電出力を商用電源に系統連系出力する電力変換手段を具備し、各制御手段の制御値及び計測手段の計測値より商用電源から供給される系統電力と燃料電池から出力される電力及び蓄電手段の充放電電力を計算し、燃料電池及び蓄電手段からの出力を商用電源に逆潮流しないように制御することができ、高効率のエネルギーシステムを構成できる。
【０００８】
また、本発明の請求項２記載の発明では、請求項１記載の蓄電手段付燃料電池システムに該蓄電手段付燃料電池システムの交流入出力電流を計測する交流入出力電流計測手段を設けたことにより、該蓄電手段付燃料電池システムの交流入出力電流値と交流電圧計測手段により計測した商用電源の電圧値より該蓄電手段付燃料電池システムの交流入出力電力を計算し、係る交流入出力電力と商用電源から供給される系統電力との差から外部負荷に供給される電力を求めることができるので、外部負荷の消費電力の大きさに応じて燃料電池の発電量を加減できる。
【０００９】
また、本発明の請求項３記載の発明は、系統電流計測手段により計測した系統電流と交流電圧計測手段により計測した商用電源の電圧の値より商用電源側から供給される系統電力を計算し、係る系統電力が０以上の適宜設定した値以上になると、システムから系統側に出力するように、燃料電池の出力電流及び蓄電手段の充放電電流を制御することにより、商用電源側への逆潮流を防止するものである。
【００１０】
また、本発明の請求項４記載の発明は、系統電流計測手段により計測した系統電流と交流電圧計測手段により計測した商用電源の電圧の値より商用電源側から供給される系統電力を計算するとともに、交流入出力電流計測手段により計測した交流入出力電流と商用電源の電圧の値より交流入出力電力を計算し、該交流入出力電力の入力をマイナスとして前記系統電力との和より外部負荷の消費電力を求め、係る外部負荷の消費電力と蓄電手段の充電率若しくは放電深度に対応させて燃料電池の出力電流を制御することにより、外部負荷の消費電力が急変したときに、蓄電手段の充放電により燃料電池の出力変化が緩慢でも燃料電池の出力を外部負荷の消費電力の急変に対応できるレベルに設定できるので、商用電源側に逆潮流することがない。
【００１１】
また、本発明の請求項５記載の発明では、外部負荷の消費電力に対して、１次遅れのフィルタを介するか若しくは移動平均をとって負荷消費電力値とし、蓄電手段の充電率に第１の充電水準（若しくは第１の放電水準）と第１の充電水準よりも高い充電率の第２の充電水準（若しくは第１の放電水準より低い第２の放電水準）よりなる２つの充電水準（若しくは放電水準）を含む２つ以上の充電水準（若しくは放電水準）を設け、蓄電手段が第１の充電水準以下（若しくは第１の放電水準以上）の時に燃料電池の最大出力を負荷消費電力値と同等以上として運転可能とし、蓄電手段が第２の充電水準以上（若しくは第２の放電水準以下）の時には燃料電池の最大出力を負荷電力値よりも少なくして運転することにより、外部負荷の消費電力が急変しても蓄電手段の充放電での対応が容易になり、商用電源側に逆潮流させずに燃料電池を安定運転させることが可能となる。
【００１２】
また、本発明の請求項６記載の発明では、本発明の請求項５記載の発明において、蓄電手段の第１の充電水準を充電率５０％以下の充電率（若しくは第１の放電水準を放電深度５０％以上の放電率）とするとともに、第２の充電水準を充電率５０％以上の充電率（若しくは第２の放電水準を放電深度５０％以下の放電率）とすることにより、充電率（若しくは放電率）の計算値が多少ずれても、蓄電手段の充放電能力が不足することを防止できる。
【００１３】
【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。図１は本発明の一実施例の構成図である。１は燃料電池であり、その両端は昇圧チョッパ、電流センサ等よりなる電流制御手段２及び燃料電池電圧計測手段３に接続してある。５は２次電池よりなる蓄電手段であり、その両端は蓄電電圧計測手段６及び昇降圧チョッパ、電流センサ等よりなる充放電制御手段７に接続してある。電流制御手段２及び充放電制御手段７の出力側は＋側どうし、−側どうしがそれぞれ平滑コンデンサ４に接続してあり、係る平滑コンデンサ４は双方向インバータ等よりなる電力変換手段８に接続してあり、該電力変換手段８は交流電流センサ１０を介して交流電圧計測手段１２及びメインブレーカ１４の下流に接続してある。メインブレーカ１４の下流には外部負荷１７が並列に接続してある。
【００１４】
メインブレーカ１４の上流側には系統電流センサ１５を介して商用電源１３が接続してある。交流電流センサ１０は交流入出力電流計測手段１１に接続してあり、系統電流センサ１５は系統電流計測手段１６に接続してある。燃料電池電圧計測手段３、蓄電電圧計測手段６、電流制御手段２、充放電制御手段７、交流入出力電流計測手段１１、交流電圧計測手段１２、及び系統電流計測手段１６のそれぞれの計測データは蓄電手段付燃料電池システムを制御するシステム制御手段９に入力するように接続してあり、該システム制御手段９に内蔵してあるＰＷＭ信号出力部１８のＰＷＭ信号出力は電流制御手段２、充放電制御手段７、及び電力変換手段８に接続してある。次に、係る構成の蓄電手段付燃料電池システムの動作を説明する。
【００１５】
図２は図１の実施例の各部の電力の時刻に対する変化の１例である。１０１は外部負荷１７の消費電力であり、１０２は同じ時刻での商用電源１３から供給される系統電力であり、この例では系統電力１０２は蓄電手段付燃料電池システムの出力開始レベル１０３以下の値となっている。１０４は同じ時刻の燃料電池１の出力電力であり、１０５は同じ時刻の蓄電手段５の充放電電力である。充放電電力１０５の内の１０６の部分は充電電力であり、１０７の部分は放電電力である。充放電電力１０５の放電方向を＋とし、交直変換時の損失を無視すると、燃料電池１の出力電力１０４と蓄電手段５の充放電電力１０５の和はシステムの入出力電力（表示せず）となり、係るシステム入出力電力は負荷の消費電力１０１から系統電力１０２を引いた値となっている。
【００１６】
本実施例の蓄電手段付燃料電池システムでは、系統電流計測手段１６は系統電流センサ１５により常時系統電流１０２を計測し、交流電圧計測手段１２は商用電源１３の交流電圧を計測しており、これらの計測値はシステム制御手段９に入力され、システム制御手段９では常時系統電力１０１を算出している。また、交流入出力電流計測手段１１は交流電流センサ１０により電力変換手段８の交流入出力電流を計測してシステム制御手段９に計測値を入力し、電流制御手段２及び充放電制御手段７は計測した各部の直流電流の計測値をシステム制御手段９に入力し、燃料電池電圧計測手段３及び蓄電電圧計測手段６は各部の直流電圧の計測値をシステム制御手段９に入力し、該システム制御手段９では、各部の電流、電圧の計測値より、各部の電力を計算して、系統電力１０２、システム入出力電力（表示せず）、系統電力１０２とシステム入出力電力との差より計算した負荷の消費電力１０１、燃料電池１の出力電力１０４及び充放電電力１０５を算出する。
【００１７】
外部負荷１７の消費電力１０１が増加して系統電力１０２が予め設定した蓄電手段付燃料電池システムの出力開始レベルである電力閾値１０３を越えると、システム制御手段９はＰＷＭ信号出力部１８からＰＷＭ信号を出力し、電流制御手段２により燃料電池１の出力電力１０４を増加させるか、充放電制御手段７により蓄電手段５の充放電電力１０５を放電側に増加させて、系統電力１０２の値が、燃料電池１の出力電力１０４と蓄電手段５の充放電電力１０５の和の範囲で電力閾値１０３を越えないように出力を制御する。
【００１８】
なお、燃料電池１は、出力電力１０４を急激に増加させようとすると水素ガスの不足を生じる恐れがあるため、本実施例では出力電力１０４の急増をおさえ、負荷の消費電力１０１が急増する場合には、蓄電手段５の放電電力１０７を急増させて、系統電力１０２の増加を抑制している。更に、燃料電池１の出力電力１０４の変化の頻度を少なくするため、燃料電池１の出力電力１０４の変化は負荷の消費電力１０１の移動平均に基いて変化させ、短時間での負荷の消費電力１０４の変化には、蓄電手段５の充放電電力１０５の変化で対応している。また、負荷の消費電力１０１が少ない場合には、充放電制御手段６を充電にし、燃料電池１の出力電力１０４の余剰分を蓄電手段５に充電する。
【００１９】
また、図３は、本実施例において、負荷の消費電力１０１’、系統電力１０２’、燃料電池１の出力電力１０４’、蓄電手段５の充放電電力１０５’及び蓄電手段５の充電率１０８の時刻に対する変化の１例を示している。本例では、蓄電手段５の充電率１０８が充電率５０％以下の第１の水準１１０より低い場合には燃料電池１の出力電力１０４’を大き目にし、充電率５０％以上の第２の水準１０９より高い場合には燃料電池１の出力電力１０４’を小さ目にしている。ここで、本実施例では、充電率を蓄電手段５の電圧値より、別途換算テーブル（表示せず）を作成しておいて換算している。充電率の計算は、蓄電手段５の充放電の積算電力量から求める方法でもよい。
【００２０】
なお、この場合にも、負荷の消費電力１０１’の急変分は蓄電手段５の充放電電力１０５’で対応し、系統電力１０２’が電力閾値１０３を越えないように燃料電池１の出力電力１０４’と蓄電手段５の充放電電力１０５’の放電電力１０７’との和の最大値以下の範囲で、出力を制御し、系統電力１０２’が過大になることを抑制している。また、燃料電池１の出力電力１０４’が、負荷の消費電力１０１’の系統電力１０２’の電力閾値１０３よりも大きい分よりも少ない時、燃料電池１の出力電力１０４’の系統に出力できない分を充放電電力１０６’のように蓄電手段５に充電し、余剰電力を系統に出力しない。
【００２１】
ここで、充電率１０８が５０％以下の第１の水準１１０以下の場合には、蓄電手段５の充電率１０８が低いので、燃料電池１の出力電力１０４’が大き目で負荷の消費電力１０１’が急激に減少しても、燃料電池１の出力電力１０４’の余剰分を蓄電手段５により充電して吸収することができ、蓄電手段５の充電率１０８が５０％以上の第２の水準１０９以上の場合には燃料電池１の出力電力１０４’を小さ目にすることにより、蓄電手段５の充電率１０８があがり、充電余力が少なくなっても、負荷の消費電力１０１’の急減時に燃料電池１の出力電力１０４’の余剰分を蓄電手段５で吸収することができ、系統に逆潮流を生じさせない。
【００２２】
【発明の効果】
本発明によれば、系統電力を常時計測して、燃料電池の出力電力及び蓄電手段の充放電電力を制御するので、負荷の消費電力が急変しても、系統に逆潮流することを防止できる。また、負荷の消費電力に応じて出力を可変できるので、系統の電力変動を軽減し、ピークを抑えることができる。更に、燃料電池の出力電力の急変を抑制できるので、燃料電池のストレスを軽減できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の１実施例の構成図。
【図２】各部の電力の時刻に対する変化の１例を示す図。
【図３】各部電力及び蓄電手段の充電率の時刻に対する変化の１例を示す図。
【符号の説明】
１…燃料電池、２…電流制御手段、３…燃料電池電圧計測手段、５…蓄電手段、６…蓄電電圧計測手段、７…充放電制御手段、８…電力変換手段、１１…交流入出力電流計測手段、１２…交流電圧計測手段、１３…商用電源、１４メインブレーカ、１６…系統電流計測手段、１７…外部負荷、１０１，１０１’…負荷の消費電力、１０２，１０２’…系統電力、１０３…電力閾値、１０４，１０４’…燃料電池の出力電力、１０５、１０５’…充放電電力、１０８…充電率、１０９…第２の充電率水準、１１０…第１の充電率水準。

Claims

燃料電池と該燃料電池の出力電流を任意の所定値に制御する電流制御手段と、二次電池よりなる蓄電手段と該蓄電手段の充放電電流を制御する充放電制御手段と、商用電源のメインブレーカに流れる系統電流を計測する系統電流計測手段と、商用電源の電圧を計測する交流電圧計測手段と、燃料電池の出力電圧を計測する燃料電池電圧計測手段と、蓄電手段の電圧を計測する蓄電電圧計測手段と、前記燃料電池の出力及び蓄電手段の放電出力を商用電源に系統連系出力する電力変換手段を具備することを特徴とする蓄電手段付燃料電池システム。
蓄電手段付燃料電池システムの交流入出力電流を計測する交流入出力電流計測手段を設けたことを特徴とする請求項１記載の蓄電手段付燃料電池システム。
系統電流計測手段により計測した系統電流と交流電圧計測手段により計測した商用電源の電圧の値より商用電源側から供給される系統電力を計算し、係る系統電力が０以上の適宜設定した電力閾値以上になるとシステムより系統側に出力するように、燃料電池の出力電流及び蓄電手段の充放電電流を制御することを特徴とする請求項１若しくは２記載の蓄電手段付燃料電池システム。
系統電流計測手段により計測した系統電流と交流電圧計測手段により計測した商用電源の電圧の値より商用電源側から供給される系統電力を計算するとともに、交流入出力電流計測手段により計測した交流入出力電流と商用電源の電圧の値より交流入出力電力を計算し、該交流入出力電力の入力をマイナスとして前記系統電力との和より外部負荷の消費電力を求め、係る外部負荷の消費電力と蓄電手段の充電率若しくは放電深度に対応させて燃料電池の出力電流を制御することを特徴とする請求項２若しくは３記載の蓄電手段付燃料電池システム。
外部負荷の消費電力に対して、１次遅れのフィルタを介するか若しくは移動平均をとって負荷消費電力値とし、蓄電手段の充電率に第１の充電水準（若しくは第１の放電水準）と第１の充電水準よりも高い充電率の第２の充電水準（若しくは第１の放電水準より低い第２の放電水準）よりなる２つの充電水準（若しくは放電水準）を含む２つ以上の充電水準（若しくは放電水準）を設け、蓄電手段が第１の充電水準以下（若しくは第１の放電水準以上）の時に燃料電池の最大出力を負荷消費電力値と同等以上として運転可能とし、蓄電手段が第２の充電水準以上（若しくは第２の放電水準以下）の時には燃料電池の最大出力を負荷電力値よりも少なくして運転することを特徴とする請求項２乃至４記載の蓄電手段付燃料電池システム。
蓄電手段の第１の充電水準を充電率５０％以下の充電率（若しくは第１の放電水準を放電深度５０％以上の放電率）とするとともに、第２の充電水準を充電率５０％以上の充電率（若しくは第２の放電水準を放電深度５０％以下の放電率）としたことを特徴とする請求項５記載の蓄電手段付燃料電池システム。