JP2009238609A - Fuel cell system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、分散型電源として使用する燃料電池システムに関する。 The present invention relates to a fuel cell system used as a distributed power source.
近年、天然ガス等から取り出した水素と、空気中の酸素とを化学反応させることで発電を行う燃料電池システムが分散型電源として注目され、一般家庭への普及が期待されている。 In recent years, fuel cell systems that generate electricity by chemically reacting hydrogen extracted from natural gas and the like with oxygen in the air have attracted attention as distributed power sources, and are expected to spread to general households.
このような燃料電池システムによる発電系統は、電力会社等の商用電源系統と連系している。したがって、需要地(家庭内)の消費電力が、燃料電池システムの発電出力(例えば、最大1kW)を超えても、商用電源からの電力で補えるようになっている。 A power generation system using such a fuel cell system is linked to a commercial power system such as an electric power company. Therefore, even if the power consumption in the demand area (home) exceeds the power generation output (for example, 1 kW at the maximum) of the fuel cell system, it can be supplemented with the power from the commercial power source.
一方、燃料電池システムの発電出力が、需要地の消費電力を超えてしまうと、その余剰電力は、商用電源に逆潮流されてしまう。そこで、上記の如く家庭内の分散型電源として使用される燃料電池システムにおいては、従来より、逆潮流を監視し、これを防止する対策が講じられている(例えば、特許文献1)。 On the other hand, when the power generation output of the fuel cell system exceeds the power consumption in the demand area, the surplus power is reversely flowed to the commercial power source. Therefore, in the fuel cell system used as a distributed power source in the home as described above, measures have been conventionally taken to monitor and prevent reverse power flow (for example, Patent Document 1).
従来の燃料電池システムにおける一般的な逆潮流防止の手法について、以下、簡単に説明する。図5に示す燃料電池システムは、発電器1と、インバータ2と、逆潮流防止制御部3と、発電制御部4と、電流センサ5a,5bと、を備える。発電器1は、図示しない燃料電池を用いて直流電力を発生する。インバータ2は、発電器1から供給された直流電力を交流電力に変換して出力する。そして、インバータ2から出力された交流電力は、送電線6を介して家屋9に送電され、図示しない負荷機器によって消費される。また、送電線6には、電力会社等の商用電源7からの配電線8が接続している。
A general method for preventing reverse power flow in a conventional fuel cell system will be briefly described below. The fuel cell system shown in FIG. 5 includes a generator 1, an
逆潮流防止制御部3は、配電線8に設けられた電流センサ5aの計測値を監視することで、逆潮流の発生有無を検出する。そして、逆潮流の発生を検出すると、逆潮流を阻止するための制御(例えば、インバータ2の出力電力の低減等)を行う。発電制御部4は、先に作成した発電計画に従って発電器1の運転を制御する。発電制御部4は、発電時には、逆潮流防止制御部3から送信されるインバータ2の出力電力値と、家屋9における消費電力値とを使用して、発電計画を作成する。一方、非発電時には、配電線8に設けられた電流センサ5bの計測値に基づいて算出した消費電力値を使用して、発電計画を作成する。
The reverse flow
図6は、他の例の燃料電池システムの構成を示す図である。図6に示すように、本例の燃料電池システムでは、配電線8に設ける電流センサは1つであり(電流センサ5aのみ)、直接的には、発電制御部4にその計測値は入力されない。したがって、本例の発電制御部4は、非発電時においても、家屋9における消費電力値を逆潮流防止制御部3を介して受け取る必要がある。
FIG. 6 is a diagram showing the configuration of another example fuel cell system. As shown in FIG. 6, in the fuel cell system of this example, there is one current sensor provided on the distribution line 8 (only the
以上のように、図6の燃料電池システムは、商用電源7から供給される電力の値を計測するための電流センサが1つで済むため、2つの電流センサを必要とする図5の燃料電池システムに比べ、低コスト化が図れる。一方、図5の燃料電池システムでは、発電器1の非発電時(即ち、燃料電池システムの待機時)において、逆潮流防止制御部3の動作を停止させることができ、常時動作を必要とする図6の燃料電池システムに比べ、待機時の省電力化が図れる。
上記の2つの従来例では、それぞれの燃料電池システムが、他に比べ、メリット及びデメリットを有する。したがって、それぞれのメリットを有する新たな燃料電池システムの実現が望まれている。 In the above two conventional examples, each fuel cell system has advantages and disadvantages compared to the other. Therefore, realization of a new fuel cell system having each merit is desired.
本発明は、上記実状に鑑みてなされたものであり、低コスト化が図れると共に省電力化も図れる燃料電池システムを提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide a fuel cell system capable of reducing cost and saving power.
本発明に係る燃料電池システムは、燃料電池を用いて発電する発電器と、該発電器から出力される直流電力を交流電力に変換するインバータと、該インバータと需要地間の電線と商用電源との間を接続する接続線に設けられた電流センサと、該電流センサの計測値に基づいて、前記インバータから前記商用電源へ電力が供給される逆潮流を検出し、該逆潮流を検出すると、当該逆潮流を阻止するための所定処理を実行する逆潮流防止制御部と、前記発電器の運転を制御する発電制御部と、前記電流センサと接続し、該電流センサの計測値を前記逆潮流防止制御部又は前記発電制御部の何れか一方に所定条件の下で切り替えて送信する切替部と、を備えることを特徴とする。 A fuel cell system according to the present invention includes a generator that generates power using a fuel cell, an inverter that converts DC power output from the generator into AC power, an electric wire between the inverter and a demand area, and a commercial power source. Based on the current sensor provided in the connection line connecting between the current sensor, based on the measured value of the current sensor, detecting a reverse power flow in which power is supplied from the inverter to the commercial power source, and detecting the reverse power flow, A reverse flow prevention control unit that executes a predetermined process for preventing the reverse flow, a power generation control unit that controls the operation of the generator, and the current sensor, and the measurement value of the current sensor is transmitted to the reverse flow And a switching unit that switches to and transmits to either one of the prevention control unit or the power generation control unit under a predetermined condition.
前記切替部は、前記発電器の運転状態に従って、前記切り替えを行うのが好ましい。 The switching unit preferably performs the switching according to an operating state of the generator.
この場合、より詳細には、前記切替部は、前記電流センサの計測値を、前記発電器によって発電が行われているとき、前記逆潮流防止制御部に送信し、前記発電が行われていないとき、前記発電制御部に送信するのが好ましい。 In this case, more specifically, the switching unit transmits the measured value of the current sensor to the reverse power flow prevention control unit when power generation is performed by the power generator, and the power generation is not performed. It is preferable to transmit to the power generation control unit.
また、好ましくは、前記逆潮流防止制御部は、前記発電が行われていないとき、その動作を停止する。 Preferably, the reverse power flow prevention control unit stops its operation when the power generation is not performed.
また、前記逆潮流防止制御部は、前記発電が行われているとき、前記インバータの出力電力値と、前記電流センサの計測値に基づいて算出した前記商用電源から供給される商用電力の値とを前記発電制御部に送信してもよい。 In addition, the reverse power flow prevention control unit, when the power generation is being performed, the output power value of the inverter and the value of the commercial power supplied from the commercial power source calculated based on the measured value of the current sensor May be transmitted to the power generation control unit.
上記の場合、前記発電制御部は、前記逆潮流防止制御部から送信された前記インバータの出力電力値又は、該インバータの出力電力値と前記商用電力の値とに基づいて算出される前記需要地における消費電力値の少なくとも何れか一方を使用して、前記発電器の運転を制御するための指針となる発電計画を作成してもよい。 In the above case, the power generation control unit is calculated based on the output power value of the inverter transmitted from the reverse power flow prevention control unit or the output power value of the inverter and the value of the commercial power. A power generation plan serving as a guideline for controlling the operation of the power generator may be created using at least one of the power consumption values in FIG.
また、前記発電制御部は、前記発電が行われていないとき、前記切替部から送信された前記電流センサの計測値に基づいて算出される前記需要地における消費電力値を使用して、前記発電器の運転を制御するための指針となる発電計画を作成することができる。 Further, when the power generation is not performed, the power generation control unit uses the power consumption value in the demand area calculated based on the measurement value of the current sensor transmitted from the switching unit. A power generation plan can be created as a guideline for controlling the operation of the generator.
以上の如く、本発明によれば、分散型電源として使用される燃料電池システムの低コスト化及び省電力化が図れる。 As described above, according to the present invention, it is possible to reduce the cost and save power of the fuel cell system used as a distributed power source.
以下、本発明に係る燃料電池システムの一実施形態について図面を参照して説明する。 Hereinafter, an embodiment of a fuel cell system according to the present invention will be described with reference to the drawings.
図1は、本実施形態の燃料電池システムの全体構成を示す図である。本実施形態の燃料電池システムは、家庭用の分散型電源として使用され、また、発電の際に発生する排熱を給湯や暖房等に利用するコジェネレーションシステムに組み込まれている。この燃料電池システムは、発電器1と、インバータ2と、逆潮流防止制御部3と、発電制御部4と、電流センサ5と、センサ入力切替部10と、を備える。
FIG. 1 is a diagram showing the overall configuration of the fuel cell system of the present embodiment. The fuel cell system of this embodiment is used as a home-use distributed power source, and is incorporated in a cogeneration system that uses exhaust heat generated during power generation for hot water supply, heating, and the like. The fuel cell system includes a power generator 1, an
発電器1は、燃料電池11と、燃料電池11に供給する改質ガスを生成する改質装置12とを備える。燃料電池11は、例えば、固体高分子型の燃料電池であり、一般的には、燃料電池スタック(FCスタック)と呼ばれる。燃料電池11は、複数のセルを積み重ねた構成を有し、一つのセルは、何れも図示しないが、燃料極(アノード)と空気極(カソード)とからなる一対の電極と、この電極間に介在する高分子膜とをセパレータで挟み込んだ構成を有する。燃料電池11は、改質装置12からアノードに供給される燃料ガス(改質ガス)と図示しない空気供給源からカソードに供給される酸化剤ガス(空気)を使用して発電を行う。
The power generator 1 includes a
改質装置12は、図示しない原燃料ガス供給源から供給される天然ガス等の原燃料ガスを水蒸気改質して、水素リッチな改質ガスを生成する。そして、改質ガス中の一酸化炭素濃度を低減させた後(約10ppm以下)、燃料電池11に供給する。
The
発電器1から出力された直流電力は、インバータ2によって交流電力に変換され、送電線6を介して家屋9(需要地)に送電される。送電された交流電力は、家屋9に設置される各種の負荷機器90(例えば、電灯、冷蔵庫、テレビ等)に供給され、消費される。また、送電線6には、電力会社等の商用電源7が配電線8(接続線)を介して接続している。したがって、家屋9内の負荷機器の総電力消費量が、インバータ2から出力される電力(例えば、最大1kW)を超えても、商用電源7からの電力(商用電力)で補えるようになっている。
The DC power output from the generator 1 is converted into AC power by the
逆潮流防止制御部3は、発電器1の運転時(即ち、発電時)において、配電線8に設けられた電流センサ5の計測値(詳細には、電流センサ5の計測値に基づいて算出される商用電力の値(商用電力値))を監視することで、逆潮流の発生有無を検出する。そして、逆潮流を検出すると、それを阻止するための所定処理(逆潮流対応処理)を実行する。逆潮流防止制御部3は、機能的には、図2に示すように、データ取得部30と、実績データ送信部31と、判定部32と、逆潮流対応部33と、から構成される。
The reverse power flow
データ取得部30は、電流センサ5の計測値をセンサ入力切替部10を介して取得する。ここで、電流センサ5は、例えば、クランプ式の交流電流センサである。データ取得部30は、電流センサ5の計測値と、インバータ2からの供給電圧(系統電圧)とに基づいて、商用電力値を算出する。実績データ送信部31は、データ取得部30が算出した商用電力値と、インバータ2の出力電力値とを実績データとして発電制御部4に送信する。
The
判定部32は、データ取得部30が算出した商用電力値に基づいて、逆潮流が発生しているか否かを判定する。具体的には、所定値(例えば、50W)以上の電力が配電線8に供給された場合、逆潮流が発生していると判定する。
The
逆潮流対応部33は、発生した逆潮流を阻止するための処理(逆潮流対応処理)を実行する。具体的には、逆潮流対応部33は、図示しない補助加熱装置に余剰電力を供給するための制御を行う。補助加熱装置は、発電の際の排熱が不足する場合等、その不足分を補うために補助的に使用される加熱装置である。また、逆潮流対応部33は、発電制御部4、インバータ2に対して、出力電力を低減させるための指示データを送信する。
The reverse power
以上のようにして、逆潮流防止制御部3は、逆潮流の発生有無を検出する処理(逆潮流検出処理)と、逆潮流検出時における対応処理(逆潮流対応処理)と、からなる逆潮流防止処理を行う。当然のことながら、逆潮流防止制御部3のかかる逆潮流防止処理は、発電器1の運転時(発電時)のみ行えばよいため、非発電時(待機時)においては、逆潮流防止制御部3は、その動作を停止する。
As described above, the reverse power flow
発電制御部4は、予め作成した発電計画に従って、発電器1の運転制御を行う。発電制御部4は、発電実績(即ち、出力電力値)や需要実績(家屋9における消費電力値)等を用いて発電計画を作成する。需要実績は、出力電力値と商用電力値とを合算することで求められる。
The power
発電制御部4は、発電時においては、上述したように、出力電力値と商用電力値とを実績データとして、逆潮流防止制御部3から受け取る。一方、非発電時(待機時)においては、センサ入力切替部10を介して入力される電流センサ5の計測値に基づいて、消費電力値(この場合は、商用電力値と等しい)を算出し、これを使用して、発電計画を作成する。
As described above, the power
また、発電制御部4は、逆潮流が検出され、逆潮流防止制御部3から出力電力の低減指示を受けると、出力電力が消費電力を超えないようにするべく発電器1を制御する。例えば、発電制御部4は、発電器1に供給する原燃料ガスや空気の量などを調整する。
In addition, when the reverse power flow is detected and an output power reduction instruction is received from the reverse power flow
センサ入力切替部10は、例えば、機械式リレーで構成される。センサ入力切替部10は、電流センサ5と、逆潮流防止制御部3と、発電制御部4と、に接続する。センサ入力切替部10の信号送出方向は、発電時/待機時で切り替わる。具体的には、センサ入力切替部10は、発電時においては、入力した電流センサ5の計測値(を示す信号)を逆潮流防止制御部3に送出し、待機時においては、発電制御部4に送出する。
The sensor
続いて、逆潮流防止制御部3による逆潮流防止処理の手順を図3のフローチャートに沿って説明する。逆潮流防止処理は、発電器1による発電が開始されると起動し、以降、発電が停止されるまで、以下の処理を繰り返し行う。
Next, the procedure of the reverse power flow prevention process by the reverse power flow
先ず、データ取得部30は、センサ入力切替部10から電流センサ5の計測値を取得する(ステップS101)。また、データ取得部30は、インバータ2にて測定した系統電圧と、取得した電流センサ5の計測値とに基づいて、商用電力値を算出する(ステップS102)。
First, the
判定部32は、算出した商用電力値に基づいて、逆潮流が発生しているか否かを判定する(ステップS103)。判定部32は、例えば、50W以上の電力が配電線8に供給された場合、逆潮流が発生していると判定する。その結果、逆潮流が発生していると判定された場合(ステップS103でYES)、逆潮流対応部33は、上述した逆潮流対応処理を実行する(ステップS104)。一方、逆潮流が発生していないと判定された場合(ステップS103でNO)は、ステップS105の処理に移行する。
The
実績データ送信部31は、データ取得部30が算出した商用電力値と、インバータ2の出力電力値とを実績データとして発電制御部4に送信する(ステップS105)。かかる実績データは、発電制御部4にて発電計画を作成する際に使用される。
The performance
以上の処理は、発電が停止されるまで(ステップS106でYES)、繰り返し行われる。 The above process is repeated until power generation is stopped (YES in step S106).
以上説明したように、本実施形態の燃料電池システムでは、逆潮流を検出するための電流センサ(電流センサ5)の設置個数は、1つだけである。また、センサ入力切替部10は、機械式リレー等、非常に安価な部品等で構成され得る。したがって、本実施形態の燃料電池システムは、2つの電流センサを必要とする従来の燃料電池システム(図5参照)に比べ、低コスト化が図れる。
As described above, in the fuel cell system of the present embodiment, only one current sensor (current sensor 5) is installed for detecting a reverse power flow. In addition, the sensor
さらに、非発電時(待機時)においては、逆潮流防止制御部3の動作を停止させることができるため、常時動作を必要とする従来の燃料電池システム(図6参照)に比べ、待機時の省電力化が図れる。
Furthermore, since the operation of the reverse power flow
なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。 In addition, this invention is not limited to the said embodiment, A various change is possible in the range which does not deviate from the summary of this invention.
例えば、上記実施形態では、電流センサ5は、配電線8に設けられているが、例えば、図4に示すように送電線6の連系点P以降の下流側に設置されてもよい。この場合、逆潮流防止制御部3は、電流センサ5の計測値に基づいて算出した消費電力値と、インバータ2の出力電力値とを比較することで、逆潮流の発生有無を検出する。
For example, although the
また、上記実施形態では、逆潮流の発生時、図示しない補助加熱装置に余剰電力が供給されるが、余剰電力を供給する負荷機器は、補助加熱装置に限定されず、コジェネレーションシステムが備える様々な負荷機器に供給可能である。 Further, in the above embodiment, when the reverse power flow occurs, surplus power is supplied to an auxiliary heating device (not shown), but the load device that supplies the surplus power is not limited to the auxiliary heating device, and various types of cogeneration systems are provided. Can be supplied to various load devices.
また、上記実施形態で説明したフローチャートにおける各処理は、その順序に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において任意に順序を変更することができる。 Moreover, each process in the flowchart demonstrated by the said embodiment is not limited to the order, In the range which does not deviate from the meaning of this invention, an order can be changed arbitrarily.
1 発電器
2 インバータ
3 逆潮流防止制御部
4 発電制御部
5 電流センサ
6 送電線(電線)
8 配電線(接続線)
9 家屋(需要地)
10 センサ入力切替部(切替部)
11 燃料電池
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1
8 Distribution lines (connection lines)
9 Houses (demand areas)
10 Sensor input switching part (switching part)
11 Fuel cell
Claims (7)
該発電器から出力される直流電力を交流電力に変換するインバータと、
該インバータと需要地間の電線と商用電源との間を接続する接続線に設けられた電流センサと、
該電流センサの計測値に基づいて、前記インバータから前記商用電源へ電力が供給される逆潮流を検出し、該逆潮流を検出すると、当該逆潮流を阻止するための所定処理を実行する逆潮流防止制御部と、
前記発電器の運転を制御する発電制御部と、
前記電流センサと接続し、該電流センサの計測値を前記逆潮流防止制御部又は前記発電制御部の何れか一方に所定条件の下で切り替えて送信する切替部と、を備える、
ことを特徴とする燃料電池システム。 A generator for generating electricity using a fuel cell;
An inverter that converts DC power output from the generator into AC power;
A current sensor provided on a connecting line connecting the electric wire between the inverter and the place of demand and a commercial power source;
Based on the measured value of the current sensor, a reverse power flow in which electric power is supplied from the inverter to the commercial power supply is detected. A prevention control unit;
A power generation control unit for controlling the operation of the power generator;
A switching unit that is connected to the current sensor, and that switches and transmits a measured value of the current sensor to either the reverse power flow prevention control unit or the power generation control unit under a predetermined condition;
A fuel cell system.
ことを特徴とする請求項1に記載の燃料電池システム。 The switching unit performs the switching according to the operation state of the generator.
The fuel cell system according to claim 1.
ことを特徴とする請求項2に記載の燃料電池システム。 The switching unit transmits the measured value of the current sensor to the reverse power flow prevention control unit when power generation is performed by the power generator, and transmits to the power generation control unit when the power generation is not performed. To
The fuel cell system according to claim 2.
ことを特徴とする請求項3に記載の燃料電池システム。 The reverse power flow prevention control unit stops its operation when the power generation is not performed.
The fuel cell system according to claim 3.
ことを特徴とする請求項3に記載の燃料電池システム。 The reverse power flow prevention control unit, when the power generation is performed, outputs the output power value of the inverter and the value of the commercial power supplied from the commercial power source calculated based on the measured value of the current sensor. Send to the power generation control unit,
The fuel cell system according to claim 3.
ことを特徴とする請求項5に記載の燃料電池システム。 The power generation control unit is an output power value of the inverter transmitted from the reverse power flow prevention control unit or a power consumption value in the demand area calculated based on the output power value of the inverter and the value of the commercial power A power generation plan that serves as a guideline for controlling the operation of the generator using at least one of the following:
The fuel cell system according to claim 5.
ことを特徴とする請求項3に記載の燃料電池システム。 The power generation control unit uses the power consumption value in the demand area calculated based on the measurement value of the current sensor transmitted from the switching unit when the power generation is not performed. Create a power generation plan that will guide you in controlling your operation,
The fuel cell system according to claim 3.
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JP2007207661A (en) * | 2006-02-03 | 2007-08-16 | Nippon Oil Corp | Power supply system having fuel cell system |
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