JP2008152937A

JP2008152937A - 燃料電池発電装置

Info

Publication number: JP2008152937A
Application number: JP2006336725A
Authority: JP
Inventors: Yoichi Ikeda; 洋一池田
Original assignee: Fuji Electric Holdings Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2006-12-14
Filing date: 2006-12-14
Publication date: 2008-07-03

Abstract

【課題】電力変換装置がケースに組み込まれパッケージ化された状態でも、電力変換装置の試運転が容易に行える燃料電池発電装置を提供すること。
【解決手段】この燃料電池発電装置１１は、燃料電池スタック１２と、この燃料電池スタック１２で発生する直流電力を交流電圧に変換する電力変換装置１３とを、ケース内に収納したパッケージ型の燃料電池発電装置である。この燃料電池発電装置１１において、電力変換装置１３の試運転用の直流模擬電源となる調整用電源ユニット１４をケース内に設置し、試運転時には調整用電源ユニット１４の整流回路２５に対してケース外壁に設けられた外部入力用端子２３から交流入力を与えるようにしたものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池及び電力変換装置がケースに収納されたパッケージ型の燃料電池発電装置に関する。

燃料電池発電装置は、改質系機器、燃料電池、電池冷却系機器等の発電反応プロセスに直接的に寄与する機器（「プロセス機器」という）、および直交変換装置やプロセス機器を制御する制御装置等の電気系統の機器（「電気機器」という）を備えている。現在では、これら発電に要するプロセス機器や電気機器をケース（キュービクルを含む）に収納したパッケージ型の燃料電池発電装置の開発も進められている（例えば、特許文献１参照）。

図２は、燃料電池スタックと電力変換装置とをケース内に収納したパッケージ型の燃料電池発電装置の構成図である。燃料電池発電装置２０１は、燃料電池スタック２０２と電力変換装置２０３とがケース内に収納されてパッケージ化された構成となっている。燃料電池スタック２０２は、例えば燃料ガスと空気との電気化学反応に基づいて直流電圧を発生するものである。電力変換装置２０３は、燃料電池スタック２０２の出力端を接離可能な直流入力接続端子２０４が設けられている。通常運転時は、燃料電池スタック２０２の出力端が直流入力接続端子２０４を介して電力変換装置２０３に接続される。電力変換装置２０３では、燃料電池スタック２０２から出力された直流電圧をＤＣ／ＤＣコンバータ２０５において昇圧してコンデンサ２０６に充電し、ＰＷＭインバータ２０７がコンデンサ２０６の端子間電圧である直流電圧をＳＷ素子でスイッチングすることにより、交流電圧波形を出力する。ＰＷＭインバータ２０７の出力した交流電圧は、電力変換装置２０３の交流出力接続端子２０８を介して燃料電池発電装置２０１の交流出力接続端子２０９に出力される。交流電源出力接続端子２１０には、外部の系統及び系統負荷が接続される。

ところで、電力変換装置２０３を燃料電池発電装置２０１のケースに組み込んだ後であっても、電力変換装置２０３の調整試験（試運転）を行うことがある。この調整試験を実施する場合には、図３に示すように、電力変換装置２０３に繋ぐ電源を燃料電池スタック２０２からケース外に設置した外部直流模擬電源３００に繋ぎかえる必要がある。具体的には、パッケージ内部において燃料電池スタック２０２と電力変換装置２０３とを繋ぐ配線３０１ａ、３０１ｂを切り離し、外部直流模擬電源３００と電力変換装置２０３とを繋ぐ配線３０２a、３０２ｂに繋ぎ直す配線作業が必要となる。
特開２００６−２９４４０９号公報

しかしながら、電力変換装置２０３がパッケージ内に組み込まれた燃料電池発電装置２０１を顧客先等に納入した後に、電力変換装置２０３の試運転を行うような場合、顧客先などに外部直流模擬電源３００等の試験器材を搬入して配線の繋ぎかえを行わなければならず、試運転のための準備作業が必ずしも容易ではなかった。

また、外部直流模擬電源３００を持ち込まずに燃料電池スタック２０２を使って電力変換装置２０３を試運転することも考えられるが、燃料電池スタック２０３は、起動時間が長く（一般的には３０分以上）かかるので、電力変換装置２０３の起動／停止を頻繁に繰り返す場合には待ち時間が長時間になるという問題がある。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、電力変換装置がケースに組み込まれた後でも、電力変換装置の試運転を容易に行える燃料電池発電装置を提供することを目的とする。

本発明の燃料電池発電装置は、燃料電池と、この燃料電池で発生する電力を交流電圧に変換する電力変換装置とを、ケース内に収納したパッケージ型の燃料電池発電装置であって、前記電力変換装置の試運転用の直流模擬電源となる整流回路を前記ケース内に設置し、試運転時には前記整流回路に対してケース外壁に設けられた外部入力用端子から交流入力を与えることを特徴とする。

この構成によれば、交流電源を確保できる場所であれば外部模擬直流電源等の試験器材を搬入して配線する手間を省くことができ、電力変換装置の試運転に掛かる労力を大幅に軽減することができる。また、燃料電池スタックを用いて試運転する場合に比べて、燃料電池の起動時間の無駄を排除でき、電力変換装置の調整時間を短縮することができる。

また、本発明は、上記燃料電池発電装置において、前記外部入力用端子と前記整流回路の交流入力段との間に絶縁トランスを設け、前記電力変換装置の試運転時に連系先の交流を前記外部入力用端子に供給することを特徴とする。

この構成により、外部入力用端子と整流回路の交流入力段との間に絶縁トランスを設けることにより、燃料電池発電装置の連系先の交流電力を直接整流回路へ供給することができ整流回路に電力供給するための交流源を容易に確保することができる。

また、本発明は、上記燃料電池発電装置において、前記電力変換装置の直流入力端に接続する直流電源を、外部操作に応じて前記燃料電池又は直流模擬電源としての整流回路に切り替える切替操作部を備えたことを特徴とする。

この構成によれば、電力変換装置と直流電源間との接続、電力変換装置と整流回路との接続を切り替える配線作業が不要になる。よって、配線作業の人為的ミスを排除でき、試運転のための準備作業の効率化を図ることができる。

本発明によれば、電力変換装置が燃料電池発電装置のパッケージ内に組み込まれた後であっても、外部直流模擬電源等の試験器材の搬入が不要で、配線の繋ぎかえも発生せず、極めて簡単な準備作業だけで容易に電力変換装置の試運転を行うことができる。

以下、本発明の実施の形態について添付図面を参照して詳細に説明する。
図１は、本発明の一実施の形態にかかる燃料電池発電装置の構成を示すブロック図である。同図に示す燃料電池発電装置１１は、燃料電池スタック１２と、電力変換装置１３と、模擬直流電源となる調整用電源ユニット１４と、スイッチユニット１５とがケース内に収納されたパッケージ型の燃料電池発電装置である。

燃料電池スタック１２は、炭化水素系原燃料を水蒸気改質して得られた燃料ガスと酸化剤ガスとしての空気との電気化学反応に基づいて直流電圧を発生する直流電源である。但し、本発明は上記形態の直流電源に限定されるものではない。

電力変換装置１３は、燃料電池スタック１２又は調整用電源ユニット１４（直流模擬電源）の直流電圧を入力して交流出力を得る回路である。直流入力接続端子１６が電力変換装置１３の直流入力端となる。燃料電池スタック１２又は調整用電源ユニット１４の直流出力端子が、スイッチユニット１５を介して直流入力接続端子１６に接続される。

ＤＣ／ＤＣコンバータ１７の直流入力端は直流入力接続端子１６に接続され、ＤＣ／ＤＣコンバータ１７の直流出力端はコンデンサ１８の両端子間に接続されている。ＤＣ／ＤＣコンバータ１７は、コンデンサ、インダクタ、ダイオード、ＳＷ素子などで構成される一般的チョッパ回路であり、入力された直流電圧を昇圧し、コンデンサ１８を充電する。また、コンデンサ１８は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１７の出力とＰＷＭインバータ１９の入力とを接続する平滑コンデンサとして機能する。

ＰＷＭインバータ１９は、一般的なインバータ回路であり、コンデンサ１８の端子間電圧である直流電圧をＳＷ素子でスイッチングすることにより、交流電圧波形を生成する。ＰＷＭインバータ１９の交流出力端には、電力変換装置１３の交流出力端となる交流出力接続端子２０が接続されている。なお、電力変換装置１３は、直流電圧を交流電圧に変換するものであれば良く、これ以外の構成であってもよい。

電力変換装置１３の交流出力接続端子２０は、燃料電池発電装置１１の交流出力接続端子２１に接続される。本実施の形態では、燃料電池発電装置１１は交流出力接続端子２１が連系先である交流電力系統２２に接続されている。例えば、燃料電池発電装置１１から交流電力系統２２へ電力供給する。

本実施の形態は、模擬直流電源となる調整用電源ユニット１４を電力変換装置１３と一緒に燃料電池発電装置１１のパッケージであるケース内に収納している。燃料電池発電装置１１のケース外壁には、調整用電源ユニット１４の近傍に、交流電力系統２２を直接接続可能な交流入力接続端子２３が設けられている。燃料電池発電装置１１のケース内に収納されている調整用電源ユニット１４は、絶縁トランス２４を介して交流入力接続端子２３に接続されている。

調整用電源ユニット１４は、入力交流電圧を直流電圧に変換して出力する整流回路２５と、この整流回路２５の出力する直流出力にて充電される充電用コンデンサ２６とを備えている。この調整用電源ユニット１４が電力変換装置１３を試運転する際の直流電源となる模擬直流電源を構成している。

スイッチユニット１５は、燃料電池スタック１２の直流電圧出力端と直流入力接続端子１６とを接離する接点部１５ａと、調整用電源ユニット１４の直流電圧出力端と直流入力接続端子１６とを接離する接点部１５ｂと、接点部１５ａ又は１５ｂの一方をオンすると共に他方をオフする入力部１５ｃとを備えている。入力部１５ｃは、ケース外部から作業者が操作入力可能に構成され、作業者の操作入力を受けて接点部１５ａ及び１５ｂに切替指令を与え、接続指示された一方の接点部をオンし、接続指示されなかった他方の接点部をオフするように動作する。

次に、以上のように構成された燃料電池発電装置１１の動作について説明する。
まず、電力変換装置１３に燃料電池スタック１２を接続して系統２２へ電力供給する通常運転について説明する。入力部１５ｃから接点部１５ａに対して燃料電池スタック１２と電力変換装置１３とを接続する切替指示が与えられ、接点部１５ａが導通状態とされる。一方、接点部１５ｂに対して調整用電源ユニット１４と電力変換装置１３とを切り離す切替指示が与えられ、接点部１５ｂが非導通とされる。

これにより、燃料電池発電装置１１の燃料電池スタック１２で発生させた直流電圧が、電力変換装置１３で交流電圧に変換されて系統２２へ電力供給される状態となる。すなわち、スイッチユニット１５の接点部１５ａを介して燃料電池スタック１２から電力変換装置１３への直流電圧が供給される。電力変換装置１３では、直流入力接続端子１６から直流電圧が取り込まれ、ＤＣ／ＤＣコンバータ１７を介してコンデンサ１８が充電され、さらにＰＷＭインバータ１９で生成された交流電圧が交流出力接続端子２０及び交流出力接続端子２１を介して系統２２へ出力される。

次に、電力変換装置１３の調整試験（試運転）を行う場合の動作について説明する。
外部操作により入力部１５ｃから接点部１５ａに対して燃料電池スタック１２と電力変換装置１３とを切り離す切替指示が与えられ、接点部１５ｂに対して調整用電源ユニット１４と電力変換装置１３とを接続する切替指示が与えられる。この結果、接点部１５ｂが導通状態とされて調整用電源ユニット１４が電力変換装置１３に接続され、接点部１５ａが非導通状態とされて燃料電池スタック１２が電力変換装置１３から切り離される。

このとき、交流入力接続端子２３には系統２２から交流電力を直接供給することができる。調整用電源ユニット１４は、絶縁トランス２４を経由して系統２２から交流電圧が供給される。調整用電源ユニット１４では、系統２２から取り込んだ交流電圧を整流回路２５で整流して充電用コンデンサ２６を充電する。整流回路２５により充電された充電用コンデンサ２６の両端子がスイッチユニット１５の接点部１５ｂを介して直流入力接続端子１６に接続される。この結果、スイッチユニット１５の接点部１５ｂを介して調整用電源ユニット１４から電力変換装置１３へ直流電圧が供給される。

このように、調整用電源ユニット１４から電力変換装置１３へ電力供給して、電力変換装置１３を起動／停止させて動作状況を確認する。このとき、起動時間に３０分程度かかる燃料電池スタック１２に比べて、整流回路２５及び充電用コンデンサ２６で構成される調整用電源ユニット１４の起動時間は格段に短いので、電力変換装置１３の起動／停止を頻繁に繰り返したとしても起動時間による待ち時間は大幅に短縮される。

以上説明したように、本実施の形態の燃料電池発電装置１１によれば、整流回路２５を備えた調整用電源ユニット１４を模擬直流電源としてパッケージ内に設け、ケース外壁に設けた交流入力接続端子２３から交流電源を供給するようにしたので、交流電源を確保できる場所であれば外部模擬直流電源等の試験器材を搬入して配線する手間を省くことができ、電力変換装置１３の試運転に掛かる労力を大幅に軽減することができる。

また本実施の形態によれば、交流入力接続端子２３に絶縁トランス２４を介して調整用電源ユニット１４を接続したので、納入先にて燃料電池発電装置１１が連系する交流電力系統２２を交流入力接続端子２３に直接接続することができ、調整用電源ユニット１４に対する交流源を容易に確保することができる。

また本実施の形態によれば、整流回路２５を備えた調整用電源ユニット１４を模擬直流電源として用いるので、起動の遅い燃料電池スタック１２を用いる場合に比べて、起動時の待ち時間を大幅に削減でき、試運転の時間短縮を図ることができる。

また本実施の形態によれば、外部操作に応じて燃料電池スタック１２と調整用電源ユニット１４とを切替えるスイッチユニット１５を設けたことにより、電力変換装置１３と燃料電池スタック１２との接続、電力変換装置１３と調整用電源ユニット１４との接続を配線作業を伴うことなく切替えることができ、配線作業における人為的な作業ミスを排除することができる。

本発明は、電力変換装置をパッケージ内に組み込んだ後から電力変換装置を試運転する燃料電池発電装置に適用可能である。

本発明の一実施の形態にかかる燃料電池発電装置のブロック図従来の燃料電池発電装置のブロック図図２に示す燃料電池発電装置の調整試験を説明するための説明図

符号の説明

１１…燃料電池発電装置
１２…燃料電池スタック
１３…電力変換装置
１４…調整用電源ユニット
１５…スイッチユニット
１６…直流入力接続端子
１７…ＤＣ／ＤＣコンバータ
１８…コンデンサ
１９…ＰＷＭインバータ
２０、２１…交流出力接続端子
２２…電力系統
２３…交流入力接続端子
２４…絶縁トランス
２５…整流回路
２６…充電用コンデンサ

Claims

燃料電池と、この燃料電池で発生する電力を交流電圧に変換する電力変換装置とを、ケース内に収納したパッケージ型の燃料電池発電装置であって、
前記電力変換装置の試運転用の直流模擬電源となる整流回路を前記ケース内に設置し、試運転時には前記整流回路に対してケース外壁に設けられた外部入力用端子から交流入力を与えることを特徴とする燃料電池発電装置。
前記外部入力用端子と前記整流回路の交流入力段との間に絶縁トランスを設け、前記電力変換装置の試運転時に連系先の交流を前記外部入力用端子に供給することを特徴とする請求項１記載の燃料電池発電装置。
前記電力変換装置の直流入力端に接続する直流電源を、外部操作に応じて前記燃料電池又は直流模擬電源としての整流回路に切替える切替操作部を備えたことを特徴とする請求項１又は請求項２記載の燃料電池発電装置。