JP2007228728A - 燃料電池を用いた非常電源システム - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池システムを有するとともに系統電源に連系し、系統電源が停電した場合に燃料電池システムから電力を負荷に供給できる非常電源システムを提供する。
【解決手段】燃料電池システム１１内の燃料電池１２とパワーコンディショナ１３との間の直流電力の経路に、二次電池１６を接続する。パワーコンディショナ１３が系統電源の停電を検出して燃料電池１２が停止したときに、二次電池１６に蓄積された直流電力によって燃料電池１２を再始動できるようにし、再始動後の燃料電池１２から供給される直流電力をパワーコンディショナ１３で交流電力に変換し、系統電源から切り離された状態で非常負荷４２などに供給する。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池を用いた非常電源システムに関し、特に、通常時には系統電源に連系して使用され、系統電源の停電時には系統電源から解列して燃料電池からの電力を負荷に供給することが可能な非常電源システムに関する。

近年、電力消費家（需要家）の場所において、分散電源装置として燃料電池を配備し、燃料電池からの電力と電気事業者の系統電源（商用電源）からの電力とを組み合わせてその電力消費家における電力消費を賄うようにした分散型の電源システムが注目を集めている。

燃料電池は直流電力を発生するが、電力消費家の宅内においては系統電源からの交流電力に重畳して負荷に配電する必要があるから、分散電源である燃料電池を系統電源に連系させる必要がある。燃料電池を系統電源に連系させるために、燃料電池が出力する直流電力を交流電力に変換し、その周波数や電圧を系統電源からの電力に適合させるパワーコンディショナ（ＰＣＳ）が用いられる。パワーコンディショナからの交流電力の出力線は、一般に、電力消費家の宅内に設けられる分電盤において、系統電源側からの配電線に接続され、これによって、電力消費家の宅内にある負荷に対して、燃料電池からの交流電力と系統電源からの交流電力とが一緒に供給されるようになる。

図３は、このように燃料電池による分散電源を系統電源に連系させて使用するための従来の電源システムの構成を示すブロック図である。

分散電源として燃料電池を含み交流電力を出力する燃料電池システム８１が設けられており、燃料電池システム８１の出力は分電盤８２に接続している。分電盤８２は、系統電源にも接続し、系統電源からの交流電力と燃料電池システム８１の交流電力を同一の配電線を介して負荷に供給する。

燃料電池システム８１は、燃料電池９１と燃料電池９１で発電された直流電力を交流電力に変換して出力するパワーコンディショナ（ＰＣＳ）９２とを備えている。燃料電池９１は、図３には示していないが、炭化水素からなる燃料、例えば灯油やＬＰＧ（液化石油ガス）などの燃料を改質して水素を生成する改質器と、この水素と酸素（空気）とが供給されて発電する燃料電池本体とを備えている。燃料電池本体は、典型的な燃料電池として、水素及び酸素がそれぞれ供給される負極及び正極と、負極及び正極間に配置され水素イオンが透過可能な電解質膜とを備えている。

パワーコンディショナ９２は、分電盤８２を介して入力する系統電源側の交流電力に連系するように、燃料電池９１からの直流電力を交流電力に変換する。また、燃料電池（改質器や燃料電池本体）を動作させるためにはヒータによってこれらを所定の温度範囲にまで昇温する必要があり、また、改質器に燃料を供給するためにはポンプを動作させる必要がある。このように燃料電池システム８１の運転のためには、ヒータやポンプなどの各種の補機類を動作させる必要があり、ヒータやポンプなどを動作させるための電力は、パワーコンディショナ９２から燃料電池に与えられるようになっている。燃料電池システム８１が定常運転状態に入ってしまえば、ヒータやポンプのための電力としては、燃料電池９１が発電した電力の一部が使用される。しかしながら、燃料電池システム８１自体の始動（立ち上げ）時には、燃料電池９１はまだ発電を開始していないので、系統電源から分電盤８２を介してパワーコンディショナ９２に入力する交流電力からヒータやポンプを動作させるための電力を得るようにしている。

ところで系統電源に上述のようにして分散電源を連系させる場合、分散電源で発生した電力によって系統電源側に悪影響が及ぼされることがないようにしなければならない。系統電源に対して悪影響が及ぼされないようにするためにはどうすべきかは、経済産業省資源エネルギー庁がまとめた「系統連系ガイドライン」に示されているが、特に、系統電源側における停電事故が発生した場合には、分散電源を系統電源から解列すべきことが定められている。系統電源における停電事故の際に分散電源が動作していると、停電中であるので本来は充電されていないはずの系統電源側の配電線や配電網が分散電源によって充電されることとなり、停電復旧等の作業における感電事故や、系統復帰時に系統電源側での位相と配電線側での位相が一致しないことによる故障の発生のおそれが生じ、また、故障発生位置の探索を難しくするからである。系統電源側の停電事故に際して分散電源を系統電源から解列するために、分散電源のパワーコンディショナは、系統電源側からの電力供給が途絶えたことを検出した場合に、速やかに分散電源のの動作を停止させ、さらに必要に応じて分散電源システムを配電線から機械的なスイッチあるいは遮断器によって切り離せるように構成されている。

燃料電池は、気象条件等によらずに燃料があり続ける限り動作するものであるから、地震等の災害が発生して系統電源における停電が持続することが想定される場合における非常用電源として有望なものである。しかしながら、分散電源を系統電源に連系して使用している場合には、上述したように保安上等の理由により、系統電源の停電時には分散電源の停止しなければならないので、燃料電池を使用する分散電源であってもそのまま非常用電源として使用できるわけではない。また、燃料電池を一旦停止させた後にその燃料電池を再起動させようとしても、一般には燃料電池の再起動に必要な電力として、系統電源から供給される電力を使用しているので、系統電源の停電時には燃料電池の再起動も行えないこととなる。

そこで本発明の目的は、燃料電池を有するとともに系統電源に連系する分散型の電源システムであって、系統電源が通常に稼動している場合には分散電源として動作するとともに、系統電源が停電となった場合においても非常用電源として使用できる非常電源システムを提供することにある。

本発明の非常電源システムは、系統電源に連系し燃料電池とパワーコンディショナとを備える燃料電池システムを有する非常電源システムであって、燃料電池とパワーコンディショナとの間の直流電力の経路に二次電池を接続可能な非常電源システムであり、二次電池に蓄えられた直流電力によって燃料電池を始動可能である非常電源システムである。

このような非常電源システムは、例えば、系統電源に連系し燃料電池とパワーコンディショナとを備える燃料電池システムを有する非常電源システムであって、系統電源に接続するとともに負荷に電力を供給する分電盤と、系統電源と分電盤との間に設けられた遮断器と、燃料電池とパワーコンディショナとの間の直流電力の経路に接続する二次電池と、を備え、パワーコンディショナにおいて系統電源の停電を検出したときに、パワーコンディショナは燃料電池の動作を停止させるとともに、停電検出信号を遮断器に送出して遮断器を開放状態にし、遮断器が開放状態であるときに、二次電池から電力によって燃料電池を始動でき、燃料電池の始動後は燃料電池システムから分電盤に交流電力が供給されるようにした、非常電源システムである。

上述した非常電源システムは、系統電源の停電時に、燃料電池システムを始動して燃料電池システムからの電力のみを負荷に供給できるようにしたものである。しかしながら、燃料電池システムの定格出力には限りがあるため、分電盤に接続される負荷が通常負荷と非常負荷である場合には、系統電源が通常動作しているときは両方の負荷に電力が供給され、遮断器が開放状態にあって燃料電池システムが始動した後には、非常負荷のみに電力が供給されるようにすることが好ましい。非常負荷の負荷容量は燃料電池システムの定格出力未満とすることが好ましい。さらに本発明では、遮断器が開放状態にあるときに系統電源が復旧した場合に、燃料電池システムの運転を停止し、その後、遮断器を導通状態に戻し、遮断器が導通状態に戻された後に燃料電池システムを再始動するようにすることが好ましい。

本発明において、二次電池の定格容量は、燃料電池システムの定格出力１ｋＷあたり、例えば３００Ｗ・ｈ未満である。燃料電池システムとしては、炭化水素を燃料とする燃料電池を有するものを用いることが好ましい。

本発明では、燃料電池とパワーコンディショナからなる燃料電池システムを系統電源に連系させた電源システムにおいて、系統電源が停電した場合には一旦は燃料電池も停止するものの、その後、燃料電池システムに接続した二次電池からの電力を用いて燃料電池を始動できるようにしているので、この燃料電池システムからの発電した電力を負荷に供給できるようになる。したがって、本発明の非常電源システムは、平常時には系統電源に連系するとともに、災害などの非常時においては、非常用電源として運転が可能であり、平常時及び非常時の両方において有用である。

次に、本発明の好ましい実施の形態について、図面を参照して説明する。

図１は本発明の実施の一形態の非常電源システムを示している。この電源システムは、系統電源に連系するものであって、分散電源として、交流電力を出力する燃料電池システム１１を備えるとともに、系統電源からの電力と燃料電池システム１１からの電力を負荷に供給するための分電盤１４と、二次電池１６とを備えている。

分電盤１４は、燃料電池システム１１の出力が接続する母線３１と、系統電源と母線３１との間に設けられた遮断器３２と、母線３１と負荷との間に設けられるスイッチ３４，３５を備えている。遮断器３２は、燃料電池システム１１内の後述するパワーコンディショナ（ＰＣＳ）１３から停電検出信号を受信した場合に、開放状態（遮断状態）にトリップする、すなわち母線３１を自動的に系統電源から切り離すように構成されている。

本実施形態では、電力消費家の宅内の負荷として、系統電源の稼動時のみに電力が供給されていればよい通常負荷４１と、系統電源の稼動時のみならず系統電源の停電時にも電力が供給されるべき非常負荷４２の二種類があるものとする。通常負荷４１はスイッチ３４を介して母線３１に接続し、非常負荷４２はスイッチ３５を介して母線３１に接続している。この電源システムでは、系統電源からの交流電力と燃料電池システム１１からの交流電力とが、分電盤１４を介して、同一の宅内配電線を介して各負荷４１，４２に供給されるようになっている。

燃料電池システム１１は、燃料を改質して水素を生成する改質器とこの水素と酸素（空気）とが供給されて発電する燃料電池本体とからなる燃料電池１２と、燃料電池１２で発電された直流電力を交流電力に変換して出力するパワーコンディショナ１３とを備えている。燃料としては、灯油またはＬＰＧ（液化石油ガス）または天然ガスが用いられ、したがってこの燃料電池システム１１は、炭化水素を燃料とする燃料電池を有することになる。改質器や燃料電池本体としては、図３に示した従来のシステムにおけるものと同様のものが使用されるが、特にこの実施形態では、燃料電池の各種の補機（ポンプやヒータ類）は、直流電力によって駆動されるようになっている。

パワーコンディショナ１３としては、図３に示した従来の電源システムにおいて用いられるパワーコンディショナ９２と同様のものが使用されるが、図１に示すシステムにおけるパワーコンディショナ１３は、系統電源における停電を検出した場合に、燃料電池システム１１の動作を停止させるともに、系統電源における停電を検出した旨の信号（停電検出信号）を分電盤１４に出力する機能を備えている点で、図１に示したものと相違している。なお、系統電源における停電をパワーコンディショナ１３において検出する方法としては、系統電源に連系する分散電源のパワーコンディショナにおいて、現在、一般的に用いられている方法を用いることができる。

二次電池１６は、燃料電池１２とパワーコンディショナ１３との間で直流電力が伝送される導線に対して接続しており、燃料電池１２あるいはパワーコンディショナ１３から供給される直流電力によって充電されるものである。燃料電池１２自体は負荷の急変に対して対応することが難しいものであるので、負荷が急増したときには、燃料電池１２からの直流電力のほかに二次電池１６に蓄えられている直流電力もパワーコンディショナ１３で交流電力に変換して負荷に供給し、負荷が急減したときには燃料電池１２からの直流電力の一部で二次電池１６を充電するようにすることによって、系統電源が通常状態であるときにこの非常電源システムを効率よく運転させることが可能になる。また二次電池１６に蓄えられた直流電力は、燃料電池１２を始動する際の電力としても使用できるようになっている。言い換えれば、本実施形態においては、系統電源側からの電力の供給がなく、パワーコンディショナ１３によっては燃料電池１２を始動できない場合であっても、二次電池１６に蓄えられた電力を燃料電池１２の各補機（ポンプやヒータなど）に供給することによって、燃料電池１２を起動させ、燃料電池１２から直流電力を得ることができるようになっている。

このような二次電池１６としては、例えば、リチウムイオン電池、ニッケル水素電池、あるいは鉛蓄電池などが用いられる。二次電池１６の定格容量は、例えば、燃料電池の定格出力１ｋＷあたり、３００Ｗ・ｈ未満とされる。

次に、この電源システムの動作を説明する。

系統電源が正常に機能している場合には、遮断器３２、各スイッチ３４，３５とも閉じており（導通状態）、系統電源からの交流電力と燃料電池システム１１からの交流電力とが、分電盤１４を介して負荷４１，４２に供給される。燃料電池システム１１が始動していない場合には、燃料電池システム１１を始動するための電力が、系統電源からパワーコンディショナ１３に供給される。また、二次電池１６は、所定の充電レベル以上であるように充放電が制御されている。本実施形態において、所定の充電レベルとは、燃料電池１２の始動に必要な電力のすべてを二次電池１６から供給できる以上の充電レベルとする。

系統電源が停止すなわち停電したとする。燃料電池システム１１のパワーコンディショナ１３によってこの停電が検出され、その結果、パワーコンディショナ１３は、直流電力を交流電力に変換する動作を中止し、燃料電池１２の運転を自動的に停止させ、また、燃料電池システム１１を必要に応じて分電盤１４から切り離すとともに、停電検出信号を分電盤１４に送出する。その結果、遮断器３２が開放側にトリップして、分電盤１４の母線３１と系統電源とが切り離されることになる。

このように分電盤１４の母線３１から、系統電源が切り離され、燃料電池システム１１からの電力の供給が停止することにより、負荷４１，４２への交流電力の供給も停止する。この状態で燃料電池システム１１を非常用電源として機能させるためには、まず、スイッチ３４，３５を開放状態として負荷４１，４２を分電盤１４から切り離し、燃料電池システム１１のパワーコンディショナ１３を操作して二次電池１６からの電力によって燃料電池１２を始動させる。すなわち、燃料電池１２の各補機の運転を開始させる。燃料電池１２が始動して所定の直流電力を出力するようになると、パワーコンディショナ１３は直流電力の交流電力への変換を再開し、その結果、燃料電池１２からの直流電力は交流電力に変換されて分電盤１４の母線に供給されるようになる。この時点で、非常負荷４２につながるスイッチ３５を閉じて非常負荷４２に交流電力が供給されるようにする。

以上のようにして、燃料電池１２の再起動が行われ、非常負荷４２に対する交流電力の供給が再開する。

次に、系統電源が停電から復旧した場合の動作を説明する。分電盤１４において遮断器３２よりも系統電源側の位置に、系統電源からの電力で光るパイロットランプを設けておけば、パイロットランプが再点灯したことにより、系統電源が停電から復旧したことを知ることができる。その場合には、手動で燃料電池システム１１を停止させ（すなわち燃料電池１２を停止させ、パワーコンディショナ１３での直流−交流変換動作を停止させ）、遮断器３２を閉じて、分電盤１４の母線に系統電源からの電力が供給されるようにする。その後、燃料電池システム１１を再始動させ、また、スイッチ３４を閉じることにより、最初に説明した通常運転状態に戻る。

以上の動作において、系統電源が停電となって遮断器３２が開放状態となった後、系統電源が復旧した場合に遮断器３２を再び投入する（オン状態とする）が、遮断器３２を投入する時点では燃料電池システム１１は停止していなければならない。そこで、燃料電池システム１１が動作している、あるいは燃料電池１２がその始動過程にあるときには、開放状態の遮断器３２が再投入されないようにするインターロック装置を分電盤１４に設けることが好ましい。

また、上述の手順においては、燃料電池システム１１の始動や各スイッチ３４，３５のオンオフ、各パワーコンディショナ１３，１７の操作などは、操作員による手動で行われることとしているが、これらのプロセスを自動で行えるように、分電盤１４に制御回路を設けるようにしてもよい。図２は、制御回路を備えた非常電源システムを示すブロック図である。

図２に示す非常電源システムは、図１に示す非常電源システムとは、分電盤１４内に制御回路３６が設けられている点で相違する。制御回路３６は、分電盤１４内の遮断器３２を導通状態に復帰させたり、分電盤１４内の各スイッチ３４，３５を制御することができるとともに、燃料電池システム１１内のパワーコンディショナ１３に対して指令を出すことができるように構成されている。パワーコンディショナ１３に対して制御回路３６からの指令を伝達するために、分電盤１４とパワーコンディショナ１３との間には、信号線３７が設けられている。

制御回路３６は、例えば、非常運転モード移行のための押しボタンスイッチ（非常運転スイッチ）と、通常運転モード移行のための押しボタンスイッチ（通常運転スイッチ）を備えている。系統電源が停電し、上述したように遮断器３２が開放状態にトリップし、燃料電池システム１１及び二次電池１６からの電力の供給が停止した状態で、非常運転スイッチが操作されると、制御回路３６は、上述したスイッチ３４，３５を開放状態にするところから燃料電池システム１１を始動させ、スイッチ３５をオン状態にするところまでの処理を自動的に実行する。また、非常運転モードにあるときに通常運転スイッチが操作されたら、制御回路３６は、系統電源が復旧したことを確認した上で、燃料電池システム１１の停止と遮断器３２の投入から燃料電池システムの再始動、スイッチ３４の投入までの処理を自動的に実行する。このような制御回路３６を設けることによって、本発明に基づく非常電源システムの運転操作を簡単に行えるようになる。

本発明の実施の一形態の非常電源システムの構成を示すブロック図である。 本発明の別の実施形態の非常電源システムの構成を示すブロック図である。 従来の電源システムの構成を示すブロック図である。

符号の説明

１１，８１ 燃料電池システム
１２，９１ 燃料電池
１３，９２ パワーコンディショナ
１４，８２ 分電盤
１６ 二次電池
３１ 母線
３２ 遮断器
３４，３５ スイッチ
３６ 制御回路
３７ 信号線
４１ 通常負荷
４２ 非常負荷

Claims (7)

1. 系統電源に連系し燃料電池とパワーコンディショナとを備える燃料電池システムを有する非常電源システムであって、
   前記燃料電池と前記パワーコンディショナとの間の直流電力の経路に二次電池を接続可能であり、前記二次電池に蓄えられた直流電力によって前記燃料電池を始動可能な、非常電源システム。
2. 系統電源に連系し燃料電池とパワーコンディショナとを備える燃料電池システムを有する非常電源システムであって、
   前記系統電源に接続するとともに負荷に電力を供給する分電盤と、
   前記系統電源と分電盤との間に設けられた遮断器と、
   前記燃料電池と前記パワーコンディショナとの間の直流電力の経路に接続する二次電池と、
   を備え、
   前記パワーコンディショナにおいて前記系統電源の停電を検出したときに、前記パワーコンディショナは前記燃料電池の動作を停止させるとともに、停電検出信号を前記遮断器に送出して前記遮断器を開放状態にし、
   前記遮断器が開放状態であるときに、前記二次電池から電力によって前記燃料電池を始動でき、前記燃料電池の始動後は該燃料電池システムから前記分電盤に交流電力が供給されるようにした、非常電源システム。
3. 前記分電盤に接続される負荷は、通常負荷と非常負荷であり、前記系統電源が通常動作しているときは前記通常負荷及び前記非常負荷に電力が供給され、前記遮断器が開放状態にあって前記燃料電池が始動した後には、前記非常負荷のみに電力が供給される、請求項２に記載の非常電源システム。
4. 前記非常負荷の負荷容量は前記燃料電池システムの定格出力未満である、請求項３に記載の非常電源システム。
5. 前記遮断器が開放状態にあるときに前記系統電源が復旧した場合に、前記燃料電池システムの運転が停止され、その後、前記遮断器が導通状態に戻され、前記遮断器が導通状態に戻された後に、前記燃料電池システムが再始動される、請求項２乃至４のいずれか１項に記載の非常電源システム。
6. 前記燃料電池システムの定格出力１ｋＷあたり、前記二次電池の定格容量が３００Ｗ・ｈ未満である、請求項１乃至５のいずれか１項に記載の電源システム。
7. 前記燃料電池システムは、炭化水素を燃料とする燃料電池を有する、請求項１乃至６のいずれか１項に記載の電源システム。

Images