JP2009259578A

JP2009259578A - 燃料電池発電システム及び燃料電池発電システムの制御方法

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Publication number: JP2009259578A
Application number: JP2008106775A
Authority: JP
Inventors: Toru Kiyota; 透清田
Original assignee: Fuji Electric Holdings Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2008-04-16
Filing date: 2008-04-16
Publication date: 2009-11-05

Abstract

【課題】燃料切り替えに伴う解列後、予備燃料を用いた燃料電池発電による、給電負荷への安定した電力供給を、速やかに開始する。
【解決手段】電力系統３３から解列し、燃料電池１１の燃料を予備燃料に切り替えると共に、燃料電池１１の発電出力が給電負荷４２での必要電力の最大値相当となるように制御し、発電出力をダミー負荷１３に供給する。予備燃料による燃料電池１１の発電出力が安定してから、給電負荷４２への給電を開始し、複数の電気ヒータで構成されるダミー負荷１３のうち消費電力が給電負荷４２の消費電力相当となる電気ヒータへの電力供給を遮断する。燃料電池１１の発電電力の出力先を、電気ヒータから給電負荷４２に切り替えたことと結果的に同等となるため、解列時の燃料電池１１の負荷追従性を確保し、且つ給電負荷４２への給電開始時に燃料電池１１が過負荷状態となることを抑制することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池発電装置と電力系統とで連系運転をして、負荷に対して電力供給を行う燃料電池発電システム及び燃料電池発電システムの制御方法に関する。

燃料電池発電装置を用いた燃料電池発電システムにおいては、電力供給対象である負荷に対して安定した電力供給を行うことを目的として、電力系統との連系運転を行っている。
ここで、炭化水素を燃料とする燃料電池発電装置においては、燃料電池発電装置内に化学反応器を有しており、この化学反応器の出力を用いて発電出力を得るようにしている。このため、燃料電池発電装置は、指令値に対して、電気のように数ミリ秒といった短時間で応答することは困難であり、一般に、十から数十秒の時定数をもっている。

したがって、通常は、電力負荷を変更する十から数十秒前に、フィードフォワード制御を行い、投入する燃料の流量を変化させ化学反応系の出力特性を変更させた後に、電力負荷の変更を実施している。
そして、連系運転中は、負荷変動等に伴って瞬間的に不足する電力相当分を電力系統からもらい、逆に、余剰となる電力を電力系統に送り出すことで、燃料電池の発電出力と電力負荷とのバランスをとるようにしている。

一方、災害時、或いは電力系統に停電が発生した時等には、燃料電池発電装置及び負荷を電力系統から解列して切り離し、電力系統から切り離された状態で燃料電池発電装置から負荷に対して電力供給を行う自立運転に移行し、負荷のうち重要度の高い負荷等、一部の負荷のみに対して燃料電池発電装置から電力供給を行うようにしている。
その際、燃料電池発電装置の発電出力を、一旦、余剰電力消費ヒータに供給しておき、この状態から、重要度が高い等として選択された一部の負荷への電力供給を開始すると共に余剰電力消費ヒータの消費電力の調整を行い、選択された負荷の消費電力相当だけ、余剰電力消費ヒータの消費電力が減少するよう調整することにより、所定の負荷に対して過不足のない電力供給を行う方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

また、例えば、電力系統から燃料電池発電装置を解列した後、所内負荷と補記負荷と可変負荷装置との負荷量の総和が一定となるように可変負荷装置の負荷量を調整することで、燃料電池発電装置の発電出力を一定に保つと共に、所内負荷の負荷量の変動に対して過不足のない電力供給を行う方法も提案されている（例えば、特許文献２参照）。
特開２００７−２６５７７８号公報特開平１０−２２８９１９号公報

上述のように、負荷への供給電力に応じて、余剰電力消費ヒータの消費電力や、可変負荷の負荷量を調整することにより、負荷変動に追従して電力供給を行うことができる。
しかしながら、これらの方法にあっては、負荷への供給電力量の変化をうけて余剰電力消費ヒータの消費電力や可変負荷の負荷量を調整するようにしているため、負荷への電力供給が開始されてから、余剰電力消費ヒータの消費電力や可変負荷の負荷量の調整が完了しそれぞれの目標値に収束するまでにはある程度の時間を要する。

このため、この間、燃料電池発電装置の発電出力と電力負荷の消費電力量とのバランスが崩れる可能性があり、燃料電池発電装置が過負荷状態となる可能性がある。
特に、解列と共に、燃料電池発電装置の燃料を主燃料から予備燃料に切り替える構成とした場合には、燃料の切り替えに数十秒程度を要しており、負荷に対して安定した電力供給を再開するまでの所要時間をより短縮するためにも、電力負荷への供給電力が、過不足なく安定した電力量に収束するまでの所要時間のさらなる短縮が望まれていた。
そこで、この発明は、上記従来の未解決の問題点に着目してなされたものであり、連系運転から解列後、負荷への安定した電力供給をより早い段階で開始することの可能な燃料電池発電システム及び燃料電池発電システムの制御方法を提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、本発明の請求項１に係る発明は、主燃料を用いて発電を行う燃料電池発電装置を有し、前記燃料電池発電装置と電力系統とで連系運転をして負荷に電力供給を行い、且つ必要に応じて前記燃料電池発電装置及び前記負荷を前記電力系統から解列すると共に前記主燃料を予備燃料に切り替え、以後、燃料電池発電装置を自立運転させて前記負荷に電力供給を行う燃料電池発電システムにおいて、前記自立運転への移行を制御する制御手段を備えると共に前記燃料電池発電装置内に１又は複数の補助負荷を有し、前記制御手段は、自立運転への移行時に、前記燃料電池発電装置及び前記負荷を前記電力系統から解列して前記主燃料を前記予備燃料に切り替えると共に、前記燃料電池発電装置の発電出力が予め設定した所定値となるように制御してその発電出力を前記補助負荷に供給し、前記燃料電池発電装置の発電出力を前記負荷に供給することが可能な状態となった後、前記負荷への電力供給を開始してから、前記補助負荷間で前記発電出力の供給先を切り替え、前記補助負荷のうち、消費電力の総和が前記所定値よりも前記負荷の消費電力相当だけ少ない値となる補助負荷に、前記発電出力を供給することを特徴としている。

また、請求項２に係る発明は、前記制御手段は、前記補助負荷のうち、前記負荷の消費電力相当の電力を消費する補助負荷への電力供給を停止することにより、前記補助負荷間で前記発電出力の供給先を切り替えることを特徴としている。
また、請求項３に係る発明は、前記制御手段は、前記燃料電池発電装置及び前記負荷を前記電力系統から解列して前記主燃料を前記予備燃料に切り替えた後に、前記燃料電池発電装置の発電出力を前記補助負荷に供給することを特徴としている。

請求項１から請求項３に係る発明によれば、予備燃料による発電出力が所定値に安定した時点等、負荷への電力供給が可能な状態となった後に、補助負荷に供給していた発電出力の出力先を負荷に切り替えたことと、結果的に同等となる。このため、負荷変動に対する燃料電池発電装置の発電出力の負荷追従性が確保されると共に、補助負荷への電力供給の停止と共に、負荷に対し、過不足のない電力供給が行われることになり、燃料電池発電装置の発電出力と電力負荷とが速やかに平衡状態となり、燃料電池発電装置が過負荷状態となり得る時間がより短縮されることになる。

また、請求項４に係る発明は、前記燃料電池発電装置と前記補助負荷との間に、前記燃料電池発電装置からの発電出力の供給を前記補助負荷毎に遮断する遮断手段を備え、前記制御手段は、前記遮断手段を制御することにより、前記補助負荷間での前記発電出力の供給先の切り替えを行うことを特徴としている。
また、請求項５に係る発明は、前記遮断手段は、コンタクタ又は半導体スイッチからなることを特徴としている。

請求項４及び請求項５に係る発明によれば、燃料電池発電装置からの発電出力の供給を、補助負荷毎に遮断する遮断手段を制御することにより、発電出力の供給先の切り替えを行うため、補助負荷への電力供給先の切り替えを速やかに行うことができる。
特に、遮断手段を、高速動作が可能なコンタクタ又は半導体スイッチで構成することにより、補助負荷への電力供給先をより速やかに切り替えることができる。このため、負荷に対し、負荷で必要とする電力量相当の電力供給がより速やかに行われることになる。

また、請求項６に係る発明は、前記負荷に供給される電力量を検出する電力計を有し、前記制御手段は、予め検出した前記補助負荷の負荷量と前記電力計の検出値とに基づき、前記発電出力を供給すべき補助負荷を特定することを特徴としている。
この発明によれば、電力計の検出値と補助負荷の負荷量とに基づき、発電出力を供給すべき補助負荷を決定しているため、自立運転時に、負荷側で任意の一部の機能だけを稼働させるようにした場合であっても、負荷の消費電力相当の補助負荷を確実に特定することができ、補助負荷への供給電力量を、負荷の消費電力相当だけ確実に低減することができる。

また、請求項７に係る発明は、自立運転時には、前記負荷の一部の機能のみを稼働させるようになっている燃料電池発電システムであって、前記補助負荷を複数有し、前記補助負荷の各負荷量は、一又は複数の前記補助負荷の負荷量の和が、自立運転時にとり得る前記負荷の消費電力相当となるように設定されることを特徴としている。
この発明によれば、一又は複数の補助負荷を組み合わせると、これらの和は、自立運転時にとり得る負荷の消費電力相当となるため、状況によって負荷の稼働状況が異なり、負荷の消費電力が異なる場合であっても、負荷の消費電力相当だけ補助負荷への供給電力を確実に低減することができる。
また、請求項８に係る発明は、前記補助負荷は電気ヒータであることを特徴としている。
この発明によれば、電気ヒータを補助負荷として用いているから、所望の負荷量を有する補助負荷を容易に実現することができる。

さらに、本発明の請求項９に係る発明は、主燃料を用いて発電を行う燃料電池発電装置を有し、前記燃料電池発電装置と電力系統とで連系運転をして負荷に電力供給を行い、且つ必要に応じて前記燃料電池発電装置及び前記負荷を前記電力系統から解列すると共に前記主燃料を予備燃料に切り替え、以後、燃料電池発電装置を自立運転させて前記負荷に電力供給を行う燃料電池発電システムの制御方法であって、前記燃料電池発電装置内に１又は複数の補助負荷を有し、前記自立運転への移行時に、前記燃料電池発電装置及び前記負荷を前記電力系統から解列して前記主燃料を前記予備燃料に切り替えるステップと、前記予備燃料を用いた前記燃料電池発電装置の発電出力が予め設定した所定値となるように制御してその発電出力を前記補助負荷に供給するステップと、前記予備燃料を用いた前記燃料電池発電装置の発電出力を前記負荷に供給することが可能な状態となった後、前記負荷への電力供給を開始してから、前記補助負荷間で前記発電出力の供給先を切り替え、前記補助負荷のうち、消費電力の総和が前記所定値よりも前記負荷の消費電力相当だけ少ない値となる補助負荷に、前記発電出力を供給するステップと、を備えることを特徴としている。

この発明によれば、予備燃料による発電出力が所定値に安定した時点等、負荷への電力供給が可能な状態となった後に、補助負荷に供給していた発電出力の出力先を負荷に切り替えたことと、結果的に同等となる。このため、負荷変動に対する燃料電池発電装置の発電出力の負荷追従性が確保されると共に、補助負荷への電力供給の停止と共に、負荷に対し、過不足のない電力供給が行われることになり、燃料電池発電装置の発電出力と電力負荷とが速やかに平衡状態となり、燃料電池発電装置が過負荷状態となり得る時間がより短縮されることになる。

本発明の請求項１から請求項３に係る燃料電池発電システムによれば、結果的に、補助負荷に供給していた発電出力の供給先を負荷に切り替え、負荷の消費電力相当だけ補助負荷への供給電力量を削減するようにしているから、燃料電池発電装置の発電出力の大幅な変動を伴うことなく負荷に対する負荷追従性を実現することができる。
また、負荷の消費電力相当の補助負荷への電力供給を停止する等、補助負荷間で前記発電出力の供給先の切り替えを行うことにより、負荷の消費電力相当だけ補助負荷への供給電力量を削減しているため、補助負荷から負荷への発電出力の供給先の切り替えを速やかに完了させることができるため、燃料電池発電装置が過負荷状態となり得る時間をより短縮することができる。

また、請求項４及び請求項５に係る燃料電池発電システムによれば、遮断手段を制御することにより、発電出力の供給先の切り替えを行うため、補助負荷への電力供給先の切り替えを速やかに行うことができる。
特に、請求項５に係る発明では、遮断手段を、高速動作が可能なコンタクタ又は半導体スイッチで構成したため、補助負荷への電力供給を速やかに遮断することができる。このため、燃料電池発電装置の発電出力の供給先の切り替えをより速やかに完了させ、燃料電池発電装置が過負荷状態となり得る時間をより短縮することができる。

また、請求項６に係る燃料電池発電システムによれば、電力計の検出値に基づき、電力供給を遮断すべき補助負荷を決定しているため、自立運転時に、負荷側で任意の一部の機能だけを稼働させるようにした場合であっても、負荷の消費電力相当の補助負荷への電力供給を確実に遮断することができる。
また、請求項７に係る燃料電池発電システムによれば、負荷の消費電力が場合によって異なる場合であっても、一又は複数の補助負荷を組み合わせることにより、負荷の消費電力相当だけ、補助負荷への供給電力を確実に低減することができる。
さらに、請求項８に係る燃料電池発電システムによれば、補助負荷として電気ヒータを用いることにより、所望の負荷量を有する補助負荷を容易に実現することができる。

また、本発明の請求項９に係る燃料電池発電システムの制御方法によれば、結果的に、補助負荷に供給していた発電出力の供給先を負荷に切り替え、負荷の消費電力相当だけ補助負荷への供給電力量を削減するようにしているため、燃料電池発電装置の発電出力の大幅な変動を伴うことなく負荷に対する負荷追従性を実現することができる。また、補助負荷間で、発電出力の供給先を切り替え、補助負荷のうち、消費電力の総和が所定値よりも負荷の消費電力相当だけ少ない値となる補助負荷に切り替えることにより、負荷の消費電力相当だけ補助負荷への供給電力量を削減しているため、燃料電池発電装置の発電出力先の切り替えを速やかに完了させることができ、燃料電池発電装置が過負荷状態となり得る時間をより短縮することができる。

以下、本発明の実施の形態を説明する。
図１は、本発明を適用した燃料電池発電システムの概略構成を示すブロック図である。
図１の燃料電池発電システムは、大別して燃料電池発電装置１と、系統連系及び遮断を司る連系切り替え部２と、本燃料電池発電システムによる電力供給先である、後述の給電負荷４２を含む給電負荷部３とからなる。
燃料電池発電装置１は、都市ガス等を主燃料として直流電力を発電する燃料電池１１と、燃料電池１１の発電出力を直流から交流に変換するインバータ１２と、ダミー負荷１３と、燃料電池発電装置１内で必要な各種の内部機器からなる内部補機１４と、を備える。

インバータ１２で交流に変換された燃料電池１１の発電出力は、絶縁変圧器１５で昇圧された後、系統連系用遮断器としての電磁接触器１６及び１７、さらに、燃料電池発電装置１と連系切り替え部２との間を遮断するための装置間遮断器１８を介して連系切り替え部２に送られる。
また、ダミー負荷１３及び内部補機１４は、系統連系用電磁接触器１６及び１７間に接続される。
ダミー負荷１３は複数の電気ヒータで構成される。図１では、４つの電気ヒータ１３ａ〜１３ｄで構成されている。なお、ここでは、ダミー負荷１３を４つの電気ヒータ１３ａ〜１３ｄで構成しているが、任意数の電気ヒータで構成することができる。

電気ヒータ１３ａ〜１３ｄはそれぞれ、これら電気ヒータ１３ａ〜１３ｄを、系統連系用の電磁接触器１６及び１７間から個別に切り離すための電気ヒータ遮断用の遮断器１３ａ′〜１３ｄ′を介して、系統連系用電磁接触器１６及び１７間に接続される。これら電気ヒータ１３ａ〜１３ｄの負荷量は、給電負荷４２の負荷量に応じて設定される。
ここで、給電負荷４２は、後述するように複数の電気負荷を備えている。そして、燃料電池１１及び給電負荷４２を電力系統３３から解列した状態で、燃料電池１１の発電電力を用いて給電負荷４２を駆動する、いわゆる自立運転時には、給電負荷４２を構成する複数の電気負荷のうち、重要度の高い電気負荷など、一又は複数の負荷が稼働されるようになっている。

そして、ダミー負荷１３を構成する電気ヒータ１３ａ〜１３ｄの負荷量は、自立運転時にとり得る、給電負荷４２の負荷量に応じて設定される。例えば、自立運転時に、給電負荷４２のうち重要度が高い等として稼働させるべき電気負荷を、需要家側で任意に選択するように構成されている場合には、稼働させるべき電気負荷として選択される電気負荷の組み合わせパターン毎に、電気負荷の負荷量の総和を検出しておき、各パターンにおける電気負荷の負荷量の総和と、１又は複数の電気ヒータの負荷量の総和とが同等程度となり得るように、各電気ヒータ１３ａ〜１３ｄの負荷量を設定する。また、全ての電気ヒータの負荷量の総和が、自立運転時に、給電負荷４２がとり得る最大負荷量相当となるように、各電気ヒータ１３ａ〜１３ｄの負荷量を設定する。

前記電気ヒータ遮断用の遮断器１３ａ′〜１３ｄ′は、半導体スイッチ或いはコンタクタ等、高速遮断動作が可能な遮断器で構成される。
さらに、燃料電池発電装置１には、インバータ１２を制御すると共に、燃料電池発電システム全体の制御を司るシステム制御装置１９が設けられ、このシステム制御装置１９は、系統連系用電磁接触器１６及び１７間に接続された無停電電源装置２０から常時給電を受けている。

また、前記燃料電池１１とインバータ１２との間には、燃料電池１１の出力電流を検出する、例えばクランプ式の燃料電池出力検出用の電流センサ２１が設けられている。また、系統連系用電磁接触器１６及び１７間には、絶縁変圧器１５で昇圧された交流出力の電流及び電圧を検出するための交流電流センサ２２及び交流電圧センサ２３が設けられている。これらセンサの出力は、システム制御装置１９に入力される。
一方、連系切り替え部２は、燃料電池発電装置１と連系切り替え部２とを遮断するための系統連系用遮断器３１及び高圧交流負荷遮断器３２を備え、燃料電池発電装置１の出力電力は系統連系用遮断器３１及び高圧交流負荷遮断器３２を介して電力系統３３に供給される。

給電負荷部３は、高速電源切り替え装置４１と給電負荷４２とを備える。高速電源切り替え装置４１は連動する２つの電磁接触器４１ａ及び４１ｂを有し、一方の電磁接触器４１ａは、連系切り替え部２の系統連系用遮断器３１及び高圧交流負荷遮断器３２間と給電負荷４２との間に介挿され、他方の電磁接触器４１ｂは、燃料電池発電装置１の系統連系用電磁接触器１６及び１７間と給電負荷４２との間に介挿され、これら系統連系用電磁接触器１６及び１７間と、電磁接触器４１ｂとの間には、自立運転用遮断器としての遮断器４３及び電磁接触器４４が介挿されている。
そして、高速電源切り替え装置４１で切り替えを行うことにより、連系切り替え部２側又は燃料電池発電装置１側からの電力を選択的に給電負荷４２に供給する。

給電負荷４２は、例えば給電負荷が設置された図示しない制御室の照明等の比較的消費電力の小さい電気負荷５１、動力負荷等の電気負荷５２及び５３、ブロア、ポンプなどの電気負荷５４〜５８を備える。電気負荷５１は、高速電源切り替え装置４１に直接接続され常時電力供給が行われる。電気負荷５２及び５３は、絶縁変圧器５９を介して高速電源切り替え装置４１に接続され、絶縁変圧器５９と高速電源切り替え装置４１との間には、電気負荷５２及び５３を共に高速電源切り替え装置４１から切り離すための遮断器６０が介挿されている。また、電気負荷５４〜５８は、それぞれ、これら電気負荷５４〜５８を、高速電源切り替え装置４１から個別に切り離すための遮断器５４′〜５８′を介して、高速電源切り替え装置４１に接続されている。

また、前記給電負荷部３には高速電源切り替え装置４１に入力される燃料電池発電装置１からの電流を検出するための自立運転電流センサ４５及び、高速電源切り替え装置４１と給電負荷４２との間に設けられ、給電負荷４２への供給電力を検出するための負荷供給電力計４６が設けられている。これら自立運転電流センサ４５及び負荷供給電力計４６の出力は、システム制御装置１９に入力される。
システム制御装置１９は、燃料電池出力検出用の電流センサ２１、交流電流センサ２２及び交流電圧センサ２３、自立運転電流センサ４５、及び負荷供給電力計４６からの検出信号に基づき、インバータ１２を駆動制御すると共に、各遮断器や電磁接触器、高速電源切り替え装置４１を制御する。

図２は、燃料電池１１の概略構成を示すブロック図である。
この燃料電池１１は、主燃料としての都市ガス又は予備燃料としてのＬＰＧ等を入力する。入力された燃料ガスは、脱硫器６１で脱硫された後、改質器６２に入力されここで水素に富む改質ガスに改質された後、燃料電池本体６３に送られ、ここで、電池反応を起こして発電し、発電出力はインバータ１２に供給される。
主燃料は、遮断弁６４及び調節弁６５を介して脱硫器６１に供給される。同様に予備燃料は、遮断弁６６及び調節弁６７を介して脱硫器６１に供給される。

燃料電池１１の燃料を主燃料から予備燃料へ切り替える際には、例えば、主燃料側の遮断弁６４、調節弁６５が開状態、予備燃料側の遮断弁６６、調節弁６７が閉状態である状態から、主燃料側の遮断弁６４及び調節弁６５を閉じて主燃料の脱硫器６１への導入を遮断した後、予備燃料側の遮断弁６６及び調節弁６７を開いて予備燃料を脱硫器６１に導入することにより、燃料の切り替えを行う。

次に、上記燃料電池発電システムの動作を図３のフローチャートを伴って説明する。
図３は、燃料電池１１の燃料切り替え時におけるシステム制御装置１９の処理手順の一例を示すフローチャートである。
連系運転時には、系統連系用接触器１６及び１７、装置間遮断器１８、系統連系用遮断器３１、高圧交流負荷遮断器３２は閉状態に制御される。高速電源切り替え装置４１は、電磁接触器４１ａが閉状態、電磁接触器４１ｂが開状態に制御されて連系切り替え部２側を選択するよう制御され、自立運転用遮断器４３及び自立運転用接触器４４は開状態に制御される。また、必要に応じて各負荷５２〜５８に対応する遮断器が閉状態に制御され、逆にダミー負荷１３の各遮断器１３ａ′〜１３ｄ′は全て開状態に制御される。

燃料電池本体６３には主燃料が供給され、燃料電池１１では、主燃料を用いて発電を行う。燃料電池１１の発電出力はインバータ１２、絶縁変圧器１５、系統連系用接触器１６を介して内部補機１４に供給される。このとき、ダミー負荷１３の各遮断器１３ａ′〜１３ｄ′は開状態に制御されているため、ダミー負荷１３への電力供給は行われない。
燃料電池１１の発電出力は、さらに系統連系用接触器１７、装置間遮断器１８、系統連系用遮断器３１、高速電源切り替え装置４１を介して給電負荷４２に供給され、ここで、電気負荷５１に電力供給が行われると共に、電気負荷５２〜５８のうち、これら電気負荷に対応する遮断器が閉状態に制御されている電気負荷に対して電力供給が行わる。全ての遮断器５４′〜５８′、及び６０が閉状態に制御されていれば、各電気負荷５２〜５８に対して電力供給が行われ、給電負荷４２の各電気負荷５２〜５８は稼働状態となる。

さらに、燃料電池１１の発電出力の余剰分は、高圧交流負荷遮断器３２を介して電力系統３３に供給される。また、給電負荷４２への供給電力が不足する場合には、電力系統３３から電力供給を受け、高圧交流負荷遮断器３２、高速電源切り替え装置４１を介して給電負荷４２に供給する。
この状態から、例えば、主燃料ガスのガス漏れをガス漏れ検出センサ（図示せず）で検出したとき、或いは感震器（図示せず）で比較的大きな地震を検出し主燃料である都市ガスの供給が停止されたとき、或いは電力系統３３側に停電が生じたとき等、電力系統３３から燃料電池発電システムを解列する必要が生じたときには、システム制御装置１９では、図３のステップＳ１からステップＳ２に移行し、燃料電池１１及び給電負荷４２を電力系統３３から切り離して解列すると共に、燃料電池１１への燃料を、主燃料から予備燃料に切り替える。

具体的には、系統連系用接触器１７、装置間遮断器１８、系統連系用遮断器３１、高圧交流負荷遮断器３２を開状態にして、燃料電池発電装置１及び連系切り替え部２を電力系統３３から切り離すと共に、これら燃料電池発電装置１及び連系切り替え部２間を遮断する。また、高速電源切り替え装置４１において、電磁接触器４１ａを開状態、電磁接触器４１ｂを閉状態に切り替え、連系切り替え部２と給電負荷４２との間を遮断する。
これにより、給電負荷４２は、燃料電池１１側及び電力系統３３側から切り離された状態となる。
また、燃料電池１１において、主燃料側の遮断弁６４及び調節弁６５を閉状態に切り替えた後、予備燃料側の遮断弁６６及び調節弁６７を開状態に切り替え、主燃料に替えて予備燃料を脱硫器６１に導入する。

続いてステップＳ３に移行し、燃料電池１１での発電電力を制御し、燃料切り替え後の燃料電池１１の発電出力が、電気ヒータ１３ａ〜１３ｄの負荷量の総和相当の所定値となるように燃料電池１１の発電出力を制御する。また、ダミー負荷１３の各遮断器１３ａ′〜１３ｄ′を閉状態に制御する。
これにより、予備燃料を用いて発電された燃料電池１１の発電出力が所定値となるように制御され、この発電出力はインバータ１２、絶縁変圧器１５を介して、系統連系用接触器１６からダミー負荷１３の各電気ヒータ１３ａ〜１３ｄに供給されると共に内部補機１４に供給されることになる。

続いてステップＳ４に移行し、燃料の切り替えが完了したかどうか、すなわち予備燃料による発電出力が、ダミー負荷１３の負荷量相当の所定値に安定し、給電負荷４２に対して安定した電力供給を行うことが可能な状態となったかどうかを判断する。この判断は、例えば、交流電流センサ２２及び交流電圧センサ２３の検出信号等に基づいて行う。
そして、給電負荷４２に対して安定した電力供給を行うことが可能な状態となったとき、ステップＳ４からステップＳ５に移行し、自立運転用遮断器４３及び自立運転用接触器４４を閉状態に切り替える。

これにより、燃料電池１１の発電出力が、絶縁変圧器１５、自立運転用遮断器４３、自立運転用接触器４４を介して給電負荷４２に供給される。このため、負荷供給電力計４６で検出される検出値が増加する。
このとき、燃料電池１１の燃料を主燃料から予備燃料に切り替えたことに伴い、需要家側で、給電負荷４２のうち重要度の高い電気負荷のみを動作させ、比較的重要度の低い電気負荷は停止させるために、遮断器５４′〜５８′、６０のうちの何れかを開状態に切り替えていたならば、負荷供給電力計４６の検出値は、重要度の高い電気負荷の負荷量の総和相当の値を表すことになる。

システム制御装置１９では、負荷供給電力計４６の検出値と、予め記憶している各電気ヒータの負荷量とから、負荷量の総和が、負荷供給電力計４６の検出値相当となる１又は複数の電気ヒータを特定する。
そして、特定した電気ヒータに対応する遮断器を開状態に切り替える（ステップＳ６、Ｓ７）。これにより、開状態に切り替えられた遮断器に対応する電気ヒータへの電力供給が遮断される。

すなわち、特定した電気ヒータに供給されていた電力量相当が、これら電気ヒータに替えて給電負荷４２に供給されるようになったことと、結果的に同等となる。このため、給電負荷４２の消費電力に対応する電気ヒータへの給電を遮断した時点で、給電負荷４２には、給電負荷４２で必要とする十分な電力量が供給されることになり、燃料電池１１の発電出力とその電力負荷とが速やかに平衡状態に移行することになる。

ここで、解列及び燃料切り替えが終了した後に、給電負荷４２で必要とする電力を発電するように、燃料電池１１の発電出力を制御する構成としたとすると、システム制御装置１９側では、給電負荷４２への電力供給が開始された時点で、給電負荷４２で必要とする消費電力を認識することになるため、この時点から燃料電池１１の発電出力の制御を開始することになる。燃料電池１１が予備燃料を利用して所定の電力発電ができる状態となるまでには、ある程度時間を要することから、燃料電池１１の発電出力と電力負荷とのバランスがとれた状態となるまでに時間を要することになり、この間、燃料電池本体６３が過負荷状態となる可能性がある。

しかしながら、上述のように、予め給電負荷４２で必要とする最大電力相当を燃料電池１１により発電させてダミー負荷１３に供給しておき、給電負荷４２で必要とする電力量を検出した時点で、発電電力の出力先を切り替えるようにしているため、燃料電池１１の発電量を大幅に変化させることなく、給電負荷４２に対して必要分の電力供給を行うことができる。
したがって、給電負荷４２の負荷変動に対する負荷追従性を確保することができると共に、燃料電池１１の発電出力とその電力負荷とを速やかに平衡状態に移行させることができ、燃料電池１１が過負荷状態となり得る時間を短縮し、燃料電池に与える影響を低減し、長寿命化を図ることができる。

また、ダミー負荷１３の消費電力を減少させる方法として、ダミー負荷１３の負荷量を連続的に調整する方法なども考えられるが、これらの方法を用いた場合、ダミー負荷１３の消費電力が目標値に収束するまでには、ある程度の応答時間を要する。しかしながら、上述のように、遮断器を操作することにより、電気ヒータへの電力供給を遮断する構成としているため、ダミー負荷１３への供給電力を、遮断器の作動と共に速やかに目標の供給電力とすることができる。したがって、燃料電池１１の発電出力と、電力負荷とのバランスを速やかに平衡状態とすることができ、燃料電池１１が過負荷状態となり得る時間をより短縮し、燃料電池本体６３のさらなる長寿命化を図ることができる。

特に、燃料電池１１への燃料切り替えを伴う場合には、燃料を切り替え、燃料電池１１の発電出力が安定するまでに比較的時間を要するが、上述のように、燃料電池１１の発電出力が安定してから、給電負荷４２に対して安定した電力供給が開始されるまでの時間を短縮することができるため、燃料切り替えに伴い、給電負荷４２に対して安定した電力供給が再開されるまでの所要時間を短縮することができ効果的である。

また、給電負荷４２への供給電力を負荷供給電力計４６により検出し、この負荷供給電力計４６の検出値に基づき、給電負荷４２での必要電力を相殺し得る電気ヒータを特定してこれへの電力供給を遮断するようにしているから、需要家側での操作により、給電負荷４２のうちの何れの電気負荷が停止された場合であっても、稼働状態の電気負荷に相当する電力を、過不足なく供給することができる。

また、このとき、給電負荷４２への電力供給を開始した時点から、ダミー負荷１３の何れかへの供給電力を遮断するまでの間は、給電負荷４２とダミー負荷１３との双方に対して電力供給が行われることになる。しかしながら、上述のように、給電負荷４２での消費電力を計測した時点で、これに対応するダミー負荷１３への電力供給を遮断するようにしているから、電力供給の遮断を短時間で行うことができる。

特に、ダミー負荷１３への電力供給を遮断するための遮断器１３ａ′〜１３ｄ′を、高速動作が可能なコンタクタ或いは、半導体スイッチで構成しているから、特定した電気ヒータへの電力供給を速やかに遮断することができる。遮断器としてコンタクタを用いた場合には、数百ミリ秒のオーダーで切り替えることができ、また、半導体スイッチを用いた場合には数十ミリ秒のオーダーで切り替えることができる。したがって、燃料電池１１が過負荷状態となり得る時間をさらに短縮することができる。

なお、上記実施の形態では、電気ヒータへの電力供給を遮断することにより、ダミー負荷１３への供給電力を低減する場合について説明したが、これに限るものではなく、電力供給を行う電気ヒータの組み合わせを替えることにより、実現するようにしてもよい。
この場合、例えばダミー負荷１３を構成する電気ヒータのうちの複数の電気ヒータを、第１グループとして設定し、この第１グループに属する電気ヒータの負荷量の和が、自立運転時に給電負荷４２がとり得る最大消費電力相当となるように、各電気ヒータの負荷量を設定する。

そして、自立運転への移行時には、自立運転時に給電負荷４２がとり得る最大消費電力相当を発電出力するように燃料電池１１を駆動制御して、この発電出力を第１グループの電気ヒータのみに対して供給する。そして、給電負荷４２への電力供給が可能な状態となったとき、給電負荷４２への電力供給を開始し、続いてダミー負荷１３を構成する電気ヒータのうち、負荷量の和が、自立運転時に給電負荷４２がとり得る最大消費電力相当から給電負荷４２の消費電力相当を減算した値相当となる電気ヒータを選択し、これを第２グループとする。そして、選択した第２グループに属する電気ヒータに対応する遮断器のみを閉状態とし、選択した電気ヒータにのみ電力供給を行う。

例えば、第１グループに属する電気ヒータの何れかの負荷量が、給電負荷４２の消費電力相当であれば、この電気ヒータに対応する遮断器を開状態に切り替え、電力供給を遮断する。
また、例えば、第１グループのうちの何れかの電気ヒータと、第１グループに属さない電気ヒータとが第２グループとして選択されたならば、第１グループの電気ヒータのうち、第２グループに属さない電気ヒータへの電力供給を遮断すると共に、第２グループの電気ヒータのうち第１グループに属さない電気ヒータに対応する遮断器を閉状態に切り替え、電力供給を開始する。

これによって、ダミー負荷１３全体における消費電力は、給電負荷４２の消費電力相当だけ減少することになり、この場合も上記と同等の作用効果を得ることができる。また、電気ヒータへの電力供給を遮断するだけでなく、新たに電力供給を行う電気ヒータを追加することも可能であるため、第２グループとなり得る電気ヒータの組み合わせパターンをより多く設定することができ、給電負荷４２の消費電力に応じてより高精度に、ダミー負荷１３全体の消費電力を低減することができる。

また、上記実施の形態においては、自立運転への移行時に、燃料電池１１では、自立運転時に給電負荷４２がとり得る最大消費電力相当の所定値に相当する電力を発電するように制御する場合について説明したが、これに限るものではない。少なくとも、最大消費電力相当を発生するようにすればよい。
ここで、上記実施の形態において、ダミー負荷１３が補助負荷に対応し、遮断器１３ａ′から１３ｄ′が遮断手段に対応し、システム制御装置１９が制御手段に対応している。

本発明を適用した燃料電池発電システムの一例を示す概略構成図である。図１の燃料電池の概略構成を示すブロック図である。システム制御装置における解列時の処理手順の一例を示すフローチャートである。

符号の説明

１１燃料電池
１２インバータ
１３ダミー負荷
１３ａ′〜１３ｄ′ 遮断器
１９システム制御装置
４２給電負荷

Claims

主燃料を用いて発電を行う燃料電池発電装置を有し、前記燃料電池発電装置と電力系統とで連系運転をして負荷に電力供給を行い、且つ必要に応じて前記燃料電池発電装置及び前記負荷を前記電力系統から解列すると共に前記主燃料を予備燃料に切り替え、以後、燃料電池発電装置を自立運転させて前記負荷に電力供給を行う燃料電池発電システムにおいて、
前記自立運転への移行を制御する制御手段を備えると共に前記燃料電池発電装置内に１又は複数の補助負荷を有し、
前記制御手段は、自立運転への移行時に、前記燃料電池発電装置及び前記負荷を前記電力系統から解列して前記主燃料を前記予備燃料に切り替えると共に、前記燃料電池発電装置の発電出力が予め設定した所定値となるように制御してその発電出力を前記補助負荷に供給し、
前記燃料電池発電装置の発電出力を前記負荷に供給することが可能な状態となった後、前記負荷への電力供給を開始してから、前記補助負荷間で前記発電出力の供給先を切り替え、前記補助負荷のうち、消費電力の総和が前記所定値よりも前記負荷の消費電力相当だけ少ない値となる補助負荷に、前記発電出力を供給することを特徴とする燃料電池発電システム。
前記制御手段は、前記補助負荷のうち、前記負荷の消費電力相当の電力を消費する補助負荷への電力供給を停止することにより、前記補助負荷間で前記発電出力の供給先を切り替えることを特徴とする請求項１記載の燃料電池発電システム。
前記制御手段は、前記燃料電池発電装置及び前記負荷を前記電力系統から解列して前記主燃料を前記予備燃料に切り替えた後に、前記燃料電池発電装置の発電出力を前記補助負荷に供給する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システム。
前記燃料電池発電装置と前記補助負荷との間に、前記燃料電池発電装置からの発電出力の供給を前記補助負荷毎に遮断する遮断手段を備え、
前記制御手段は、前記遮断手段を制御することにより、前記補助負荷間での前記発電出力の供給先の切り替えを行うことを特徴とする請求項１から請求項３の何れか１項に記載の燃料電池発電システム。
前記遮断手段は、コンタクタ又は半導体スイッチからなることを特徴とする請求項４記載の燃料電池発電システム。
前記負荷に供給される電力量を検出する電力計を有し、
前記制御手段は、予め検出した前記補助負荷の負荷量と前記電力計の検出値とに基づき、前記発電出力を供給すべき補助負荷を特定することを特徴とする請求項１から請求項５の何れか１項に記載の燃料電池発電システム。
自立運転時には、前記負荷の一部の機能のみを稼働させるようになっている燃料電池発電システムであって、
前記補助負荷を複数有し、
前記補助負荷の各負荷量は、一又は複数の前記補助負荷の負荷量の和が、自立運転時にとり得る前記負荷の消費電力相当となるように設定されることを特徴とする請求項１から請求項６の何れか１項に記載の燃料電池発電システム。
前記補助負荷は電気ヒータであることを特徴とする請求項１から請求項７の何れか１項に記載の燃料電池発電システム。
主燃料を用いて発電を行う燃料電池発電装置を有し、前記燃料電池発電装置と電力系統とで連系運転をして負荷に電力供給を行い、且つ必要に応じて前記燃料電池発電装置及び前記負荷を前記電力系統から解列すると共に前記主燃料を予備燃料に切り替え、以後、燃料電池発電装置を自立運転させて前記負荷に電力供給を行う燃料電池発電システムの制御方法であって、
前記燃料電池発電装置内に１又は複数の補助負荷を有し、
前記自立運転への移行時に、前記燃料電池発電装置及び前記負荷を前記電力系統から解列して前記主燃料を前記予備燃料に切り替えるステップと、
前記予備燃料を用いた前記燃料電池発電装置の発電出力が予め設定した所定値となるように制御してその発電出力を前記補助負荷に供給するステップと、
前記予備燃料を用いた前記燃料電池発電装置の発電出力を前記負荷に供給することが可能な状態となった後、前記負荷への電力供給を開始してから、前記補助負荷間で前記発電出力の供給先を切り替え、前記補助負荷のうち、消費電力の総和が前記所定値よりも前記負荷の消費電力相当だけ少ない値となる補助負荷に、前記発電出力を供給するステップと、を備えることを特徴とする燃料電池発電システムの制御方法。