JP2010040305A - Fuel cell power generating device - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fuel cell power generating device improved in overall efficiency. <P>SOLUTION: The fuel cell power generating device has a power supply block 106 that has a small capacity power supply 116 and a large capacity power supply 117. The small capacity power supply 116 has a small capacity AC/DC converter 118 and a small capacity switching means 120. The large capacity power supply 117 has a large capacity AC/DC converter 122 which converts a commercial AC 103 into a third prescribed voltage, and a large capacity switching means 123 which outputs a third prescribed voltage when the power generation block 105 is started and finished, and outputs the output voltage of a stack 107 to a large capacity power equipment in the power generation block 105 upon power generation, and does not output to the large capacity power equipment in the power generation block 105 when shut down. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は燃料電池発電装置の電源供給構成に関するものである。   The present invention relates to a power supply configuration of a fuel cell power generator.

従来、この種の燃料電池発電装置は、総合効率を向上するために、発電時には燃料電池の直流出力電力を直流電圧変換のみ行い補機に供給しているものがある(例えば特許文献1参照)。   Conventionally, in order to improve the overall efficiency, this type of fuel cell power generator includes a DC output power of the fuel cell that is only DC voltage converted and supplied to an auxiliary machine during power generation (see, for example, Patent Document 1). .

図10は、上記従来の燃料電池発電装置の構成図である。   FIG. 10 is a block diagram of the conventional fuel cell power generator.

図10に示すように、燃料電池発電装置1は、家庭内に設置されている分電盤2を介して商用交流3と接続されている。また、分電盤2と燃料電池発電装置1の間には、エアコン、冷蔵庫などの家庭内負荷4が接続されている。   As shown in FIG. 10, the fuel cell power generator 1 is connected to a commercial AC 3 via a distribution board 2 installed in the home. Further, a home load 4 such as an air conditioner or a refrigerator is connected between the distribution board 2 and the fuel cell power generator 1.

また、燃料電池発電装置1は、燃料ガスと酸化剤ガスとを用いて発電を行う燃料電池5と、燃料電池5の出力を直流から交流に変換するインバータ6と、燃料電池発電装置1の起動、発電、終了、停止の一連の動作を制御する制御手段7と、都市ガスなどの原料を水蒸気改質し水素を主成分とする燃料ガスを生成する改質器8と、酸化剤ガスである空気を燃料電池5に供給するための送風機9と、燃料電池5が発電する際に発生した熱を回収し、温水として蓄える貯湯槽10とで構成されている。   The fuel cell power generator 1 also includes a fuel cell 5 that generates power using fuel gas and oxidant gas, an inverter 6 that converts the output of the fuel cell 5 from direct current to alternating current, and activation of the fuel cell power generator 1. A control means 7 for controlling a series of operations of power generation, termination and stop, a reformer 8 for steam reforming a raw material such as city gas to generate a fuel gas mainly composed of hydrogen, and an oxidant gas. A blower 9 for supplying air to the fuel cell 5 and a hot water storage tank 10 that collects heat generated when the fuel cell 5 generates power and stores it as hot water.

また、改質器8や、貯湯槽10にはガスや水を、配管を通して供給/遮断するための弁や、ポンプなどの補機11が付随して備えられている。また、補機11を駆動するための電源は、燃料電池5の出力をDC/DCコンバータ12で直流電圧変換して供給されている。従って、発電時に、インバータ6を介して直流交流変換した後に補機11に電力供給するものに比較し、上記DC/DCコンバータ12で直流電圧変換して直接供給すれば、変換ロスを削減し、燃料電池発電装置1の総合効率を向上させることが出来るというものである。
特開2003−197234号公報
In addition, the reformer 8 and the hot water storage tank 10 are provided with a valve 11 for supplying / shutting off gas and water through piping, and an auxiliary device 11 such as a pump. The power source for driving the auxiliary machine 11 is supplied by converting the output of the fuel cell 5 into a DC voltage by the DC / DC converter 12. Therefore, when the power is generated, it is possible to reduce the conversion loss by directly converting the DC / DC converter 12 to DC voltage and supplying it to the auxiliary machine 11 after DC / AC conversion via the inverter 6. The overall efficiency of the fuel cell power generator 1 can be improved.
JP 2003-197234 A

燃料電池発電装置1には、発電以外に、起動、終了、停止といった動作状態が存在する。起動は、改質器8にて燃料ガスの生成が安定して行われるようにする動作であり、終了は逆に改質器8での燃料ガスの生成を停止し、燃料電池5が発電不可能な状態で安定的に保たれるようにする動作であり、それぞれ約1時間程度の時間を要する。   In addition to power generation, the fuel cell power generator 1 has operating states such as start, end, and stop. The start-up is an operation that causes the reformer 8 to stably generate the fuel gas, and the end of the operation is to stop the generation of the fuel gas in the reformer 8, and the fuel cell 5 does not generate power. This is an operation to keep it stably in a possible state, and each takes about 1 hour.

また、発電時に発生した熱を蓄える貯湯槽10の容量に限りがあること、ユーザーのお湯の使用状況が一定でないことなどの理由により、燃料電池発電装置1を常に発電状態にできるとは限らない。   In addition, the fuel cell power generation device 1 cannot always be in a power generation state because the capacity of the hot water storage tank 10 that stores heat generated during power generation is limited and the use state of the user's hot water is not constant. .

例えば、お湯の使用量が少ない夏場などは、発電を5、6時間しか行えない日も多々発生する。この場合、非発電である起動、終了、停止の時間は商用交流3よりAC/DCコンバータ(図示せず)を介して補機11へ電源供給を行わなければならない。   For example, in summer when the amount of hot water used is small, there are many days when power can be generated only for 5 to 6 hours. In this case, power is supplied from the commercial AC 3 to the auxiliary machine 11 via an AC / DC converter (not shown) during the start-up, end, and stop times that are non-power generation.

つまり、上記従来の構成では、動作時間の半分以上を占める起動、終了、停止の3つの状態に対して、燃料電池発電装置1の総合効率を向上させることができないという課題を有していた。   That is, the conventional configuration has a problem that the overall efficiency of the fuel cell power generation device 1 cannot be improved with respect to three states of start, end, and stop that occupy half or more of the operation time.

本発明は、上記従来技術の課題に鑑み、燃料電池発電装置の総合効率を向上することを目的とするものである。   The present invention has been made in view of the above-described problems of the prior art, and an object thereof is to improve the overall efficiency of a fuel cell power generator.

この目的を達成するために本発明は、発電ブロックと、この発電ブロックに電源を供給する電源ブロックと、前記発電ブロックと前記電源ブロックの動作制御を行う制御手段とを備え、前記発電ブロックは、炭化水素系原料ガスと水から水素を主成分とする燃料ガスを生成する水素生成器と、この水素生成器からの燃料ガスと酸化剤ガスとを反応させて発電を行うスタックと、このスタックからの直流電力を交流電力に変換するインバータとを有し、前記電源ブロックは、前記制御手段と前記発電ブロック中の小容量電力機器に電力を供給する小容量電源と、前記発電ブロック中の大容量電力機器に電力を供給する大容量電源とを有し、前記小容量電源は、商用交流を第一の所定電圧に変換する小容量AC/DCコンバータと、前記スタックからの出力を第二の所定電圧に変換する小容量DC/DCコンバータと、前記小容量AC/DCコンバータと前記小容量DC/DCコンバータの出力電圧の低い側に所定の電力を消費する小容量電力消費手段と、前記発電ブロックの起動および終了および停止している時には前記第一の所定電圧を前記発電ブロックの小容量電力機器に出力し、発電している時には前記第二の所定電圧を前記発電ブロックの前記小容量電力機器に出力する小容量切換え手段とを有し、前記大容量電源は、前記商用交流を第三の所定電圧に変換する大容量AC/DCコンバータと、前記発電ブロックが起動および終了している時には前記第三の所定電圧を前記発電ブロックの大容量電力機器に出力し、発電している時には前記スタックの出力を前記発電ブロックの前記大容量電力機器に出力し、停止している時には、前記発電ブロックの前記大容量電力機器への出力を停止する大容量切換え手段とを有することを特徴とするものである。   In order to achieve this object, the present invention includes a power generation block, a power supply block that supplies power to the power generation block, and a control unit that performs operation control of the power generation block and the power supply block. A hydrogen generator that generates a fuel gas mainly composed of hydrogen from a hydrocarbon-based raw material gas and water, a stack that generates electricity by reacting the fuel gas and oxidant gas from the hydrogen generator, and An inverter that converts the direct current power into alternating current power, wherein the power supply block includes a small capacity power source that supplies power to the control means and a small capacity power device in the power generation block, and a large capacity in the power generation block. A small capacity AC / DC converter that converts commercial alternating current into a first predetermined voltage, and the stack. A small-capacity DC / DC converter that converts the output to a second predetermined voltage, and a small-capacity that consumes predetermined power on the low-side of the output voltage of the small-capacity AC / DC converter and the small-capacity DC / DC converter When the power consumption block is activated, terminated and stopped, the first predetermined voltage is output to the small-capacity power device of the power generation block, and the second predetermined voltage is A small-capacity switching unit that outputs to the small-capacity power device of the power generation block, the large-capacity power source includes a large-capacity AC / DC converter that converts the commercial alternating current into a third predetermined voltage, and the power generation block includes The third predetermined voltage is output to the large-capacity power device of the power generation block when starting and ending, and the output of the stack is output to the power generation block when generating power The output to the high-capacity power apparatus, when it is stopped, is characterized in that it has a large capacity switching means for stopping the output to the high-capacity power apparatus of the power block.

これにより、上記目的を達成することができる。   Thereby, the said objective can be achieved.

つまり、本発明では、停止時には小容量電源のみを用いて、また起動、発電、終了時には小容量電源と大容量電源を用いて作動用電源の供給を行うことができる。また、小容量電源と大容量電源は発電時にはスタックで発電した直流電力を供給元として作動用電源を供給することができる。また、電力供給元の切換えに際しても制御手段への電源供給を寸断することなく、安定供給を継続できる。   That is, according to the present invention, it is possible to supply operating power using only a small-capacity power source when stopping, and using a small-capacity power source and a large-capacity power source when starting, generating, and ending. In addition, the small capacity power source and the large capacity power source can supply the operation power source using the DC power generated by the stack as the supply source during power generation. Further, even when switching the power supply source, stable supply can be continued without interrupting the power supply to the control means.

そして、この結果として、燃料電池発電装置の安定動作を確保した上で総合効率の向上を実現することができるのである。   As a result, it is possible to improve the overall efficiency while ensuring the stable operation of the fuel cell power generator.

本発明の燃料電池発電装置は、必要な電力が小さい停止時には小容量電源のみを用いて発電ブロックの小容量電力機器に電力供給を行い、また必要な電力が大きい起動、発電、終了時には小容量電源と大容量電源を用いて発電ブロックの小容量電力機器と大容量電力機器への作動用電力を供給するので、小容量電源および大容量電源の電源効率を容量に応じて最適化することができ、その結果として燃料電池発電装置の総合効率を向上させることができる。   The fuel cell power generator according to the present invention supplies power to a small-capacity power device of a power generation block using only a small-capacity power supply when the required power is low, and has a small capacity when starting, generating, and ending the required power. Since power for operation is supplied to the small-capacity power equipment and large-capacity power equipment of the power generation block using the power source and the large-capacity power supply, the power efficiency of the small-capacity power supply and the large-capacity power supply can be optimized according to the capacity. As a result, the overall efficiency of the fuel cell power generator can be improved.

また、小容量電源と大容量電源は発電時にはスタックで発電した直流電力を供給元として作動用電源を供給するので、スタックの発電電力を直流交流変換するものに比べ、電力変換時のロスを抑えることが出来、この点からも燃料電池発電装置の総合効率を向上させることができる。   In addition, the small-capacity power supply and the large-capacity power supply supply operating power from the DC power generated by the stack during power generation, so the loss during power conversion is reduced compared to the DC / AC conversion of the stack generated power. This also makes it possible to improve the overall efficiency of the fuel cell power generator.

また、小容量切換え手段による小容量AC/DCコンバータと小容量DC/DCコンバータの出力切換えに際しても、出力していないコンバータも小容量電力消費手段により常に電力を消費することで出力準備状態を保つことができるので、商用交流とスタックという電力供給元の切換えに際しても、小容量電源から制御手段への電源供給が寸断されることなく、燃料電池発電装置の安定動作を実現することができる。   Further, even when the output of the small-capacity AC / DC converter and the small-capacity DC / DC converter is switched by the small-capacity switching means, the converter that is not outputting always consumes power by the small-capacity power consuming means and maintains the output ready state. Therefore, even when switching between the power supply sources of commercial alternating current and stack, stable operation of the fuel cell power generator can be realized without interrupting the power supply from the small capacity power source to the control means.

第1の発明は、発電ブロックと、この発電ブロックに電源を供給する電源ブロックと、発電ブロックと電源ブロックの動作制御を行う制御手段とを備え、発電ブロックは、炭化水素系原料ガスと水から水素を主成分とする燃料ガスを生成する水素生成器と、この水素生成器からの燃料ガスと酸化剤ガスとを反応させて発電を行うスタックと、このスタックからの直流電力を交流電力に変換するインバータとを有し、電源ブロックは、制御手段と発電ブロック中の小容量電力機器に電力を供給する小容量電源と、発電ブロック中の大容量電力機器に電力を供給する大容量電源とを有し、小容量電源は、商用交流を第一の所定電圧に変換する小容量AC/DCコンバータと、スタックからの出力を第二の所定電圧に変換する小容量DC/DCコンバータと、小容量AC/DCコンバータと小容量DC/DCコンバータの出力電圧の低い側に所定の電力を消費する小容量電力消費手段と、発電ブロックの起動および終了および停止している時には前記第一の所定電圧を発電ブロックの小容量電力機器に出力し、発電している時には第二の所定電圧を発電ブロックの小容量電力機器に出力する小容量切換え手段とを有し、大容量電源は、商用交流を第三の所定電圧に変換する大容量AC/DCコンバータと、発電ブロックが起動および終了している時には第三の所定電圧を発電ブロックの大容量電力機器に出力し、発電している時にはスタックの出力を発電ブロックの大容量電力機器に出力し、停止している時には、発電ブロックの大容量電力機器への出力を停止する大容量切換え手段とを有する構成としたものである。   The first invention includes a power generation block, a power supply block for supplying power to the power generation block, and a control means for controlling the operation of the power generation block and the power supply block. The power generation block is composed of hydrocarbon-based source gas and water. A hydrogen generator that generates fuel gas mainly composed of hydrogen, a stack that generates electricity by reacting the fuel gas and oxidant gas from the hydrogen generator, and DC power from this stack is converted to AC power The power supply block includes a control means, a small capacity power source that supplies power to the small capacity power device in the power generation block, and a large capacity power source that supplies power to the large capacity power device in the power generation block. The small-capacity power supply includes a small-capacity AC / DC converter that converts commercial alternating current into a first predetermined voltage, and a small-capacity DC / DC converter that converts output from the stack into a second predetermined voltage. Data, a small capacity AC / DC converter, a small capacity power consumption means for consuming predetermined power to the low output voltage side of the small capacity DC / DC converter, and when the power generation block is started, terminated and stopped A small-capacity switching unit that outputs a first predetermined voltage to the small-capacity power device of the power generation block and outputs a second predetermined voltage to the small-capacity power device of the power generation block when generating power; Is a large-capacity AC / DC converter that converts commercial alternating current to a third predetermined voltage, and outputs a third predetermined voltage to the large-capacity power device of the power generation block when the power generation block is activated and terminated. The stack output is output to the large-capacity power device of the power generation block when the power is being stopped, and the large-capacity switching means for stopping the output of the power generation block to the large-capacity power device when the power is stopped. It is obtained by a configuration in which.

つまり、本発明では、本発明の燃料電池発電装置は、必要な電力が小さい停止時には小容量電源のみを用いて制御手段と発電ブロックの小容量電力機器に電力供給を行い、また必要な電力が大きい起動、発電、終了時には小容量電源と大容量電源を用いて発電ブロックの小容量電力機器と大容量電力機器への作動用電力を供給するので、小容量電源および大容量電源の電源効率を容量に応じて最適化することができ、その結果として燃料電池発電装置の総合効率を向上させることができる。   In other words, according to the present invention, the fuel cell power generation device of the present invention supplies power to the control means and the small-capacity power equipment of the power generation block using only a small-capacity power supply when the necessary power is low, and the necessary power is When large start-up, power generation, and termination, the small-capacity power supply and the large-capacity power supply are used to supply operating power to the small-capacity power equipment and the large-capacity power equipment of the power generation block. It can be optimized according to the capacity, and as a result, the overall efficiency of the fuel cell power generator can be improved.

また、小容量電源と大容量電源は発電時にはスタックで発電した直流電力を供給元として作動用電源を供給するので、スタックの発電電力を直流交流変換するものに比べ、電力変換時のロスを抑えることが出来、この点からも燃料電池発電装置の総合効率を向上させることができる。   In addition, the small-capacity power supply and the large-capacity power supply supply operating power from the DC power generated by the stack during power generation, so the loss during power conversion is reduced compared to the DC / AC conversion of the stack generated power. This also makes it possible to improve the overall efficiency of the fuel cell power generator.

また、小容量AC/DCコンバータと小容量DC/DCコンバータのうち出力電圧が低い方についても、小容量電力消費手段により常に電力を消費することによって出力準備状態を保っているので、商用交流とスタックという電力供給元の切換えに際しても、小容量電源から制御手段への電源供給が寸断されることなく、安定供給が継続され、その結果として燃料電池発電装置の安定動作を実現することができる。   Further, the output capacity of the small-capacity AC / DC converter and the small-capacity DC / DC converter, which has a lower output voltage, is always maintained by the power consumption by the small-capacity power consuming means. Even when switching the power supply source of the stack, the stable supply is continued without being interrupted by the power supply from the small capacity power supply to the control means, and as a result, the stable operation of the fuel cell power generator can be realized.

第2の発明は、特に、第1の発明の大容量電源が、大容量切換え手段の出力を第四の所定電圧に変換する大容量DC/DCコンバータを有するものであり、大容量電源の出力電圧を所定電圧に安定的に保つことができるので、大容量電源を作動電源として動作する大容量電力機器(例えば弁、ポンプ等)の入力電圧範囲に対する条件が緩和され、その結果この大容量電力機器(例えば弁、ポンプ等)の選定が容易となり、燃料電池発電装置のコストを低減することができる。   In the second invention, in particular, the large-capacity power supply of the first invention has a large-capacity DC / DC converter that converts the output of the large-capacity switching means into a fourth predetermined voltage. Since the voltage can be stably maintained at a predetermined voltage, the conditions for the input voltage range of a large-capacity power device (eg, a valve, a pump, etc.) operating with a large-capacity power supply as an operating power supply are relaxed. As a result, this large-capacity power Selection of equipment (for example, a valve, a pump, etc.) becomes easy, and the cost of the fuel cell power generator can be reduced.

第3の発明は、特に第1または第2の発明の小容量切換え手段および大容量切換え手段の少なくともいずれか一方を半導体素子で構成するので、小容量AC/DCコンバータと小容量DC/DCコンバータのお互いの出力、もしくは大容量AC/DCコンバータとスタックのお互いの出力が逆流するのを防ぐことができ、この結果としてこれら小容量AC/DCコンバータ、小容量DC/DCコンバータ、大容量AC/DCコンバータ、スタックの損傷および劣化を防止することができる。   In the third invention, since at least one of the small-capacity switching means and the large-capacity switching means of the first or second invention is constituted by a semiconductor element, a small-capacity AC / DC converter and a small-capacity DC / DC converter are provided. The output of each other, or the mutual output of the large-capacity AC / DC converter and the stack can be prevented from flowing back. As a result, these small-capacity AC / DC converter, small-capacity DC / DC converter, large-capacity AC / DC Damage and deterioration of the DC converter and the stack can be prevented.

第4の発明は、特に第3の発明の小容量電源を、第一の所定電圧が第二の所定電圧より低くなるように構成し、小容量切換え手段をダイオードのOR回路で構成するので、発電が行われてスタックの出力電圧が上昇し、小容量DC/DCコンバータが動作すると自動的に第二の所定電圧が出力されるように小容量切換え手段が動作し、電源の供給元を商用交流とスタックで切換える動作を、電源の寸断なく安定かつ自動的に行うことができる。   In the fourth aspect of the invention, in particular, the small-capacity power supply of the third aspect of the invention is configured such that the first predetermined voltage is lower than the second predetermined voltage, and the small-capacity switching means is configured by a diode OR circuit. When the power is generated and the stack output voltage rises and the small-capacity DC / DC converter operates, the small-capacity switching means operates so that the second predetermined voltage is automatically output, and the power source is commercialized. The operation of switching between alternating current and stack can be performed stably and automatically without interruption of the power source.

第5の発明は、特に第1〜4のいずれかの発明の小容量電力消費手段をON/OFFするスイッチを備えたので、小容量電力消費手段を不必要な時はOFFすることができ、小電力消費手段における不要な電力消費を抑えて、燃料電池発電装置の総合効率を向上させることができる。   Since the fifth invention is provided with a switch for turning on / off the small-capacity power consumption means of any one of the first to fourth inventions in particular, the small-capacity power consumption means can be turned off when unnecessary. Unnecessary power consumption in the low power consumption means can be suppressed, and the overall efficiency of the fuel cell power generator can be improved.

第6の発明は、特に第5の発明のスイッチが第一の所定電圧と第二の所定電圧の切換えタイミング前の一定期間ONするので、小容量AC/DCコンバータおよび小容量DC/DCコンバータの出力準備のために小容量電力消費手段で消費する電力を必要最小限に抑えるので、燃料電池発電装置の総合効率を向上させることができる。   In the sixth aspect of the invention, in particular, since the switch of the fifth aspect of the invention is turned on for a certain period before the switching timing of the first predetermined voltage and the second predetermined voltage, the small capacity AC / DC converter and the small capacity DC / DC converter Since the power consumed by the small-capacity power consuming means is minimized to prepare for output, the overall efficiency of the fuel cell power generator can be improved.

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. Note that the present invention is not limited to the embodiments.

(実施の形態1)
図1は本発明の第1の実施の形態における燃料電池発電装置の構成図である。
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a configuration diagram of a fuel cell power generator according to a first embodiment of the present invention.

図1に示すように、燃料電池発電装置101は、家庭内に設置されている分電盤102を介して商用交流103と接続されている。また、分電盤102と燃料電池発電装置101の間には、エアコン、冷蔵庫などの家庭内負荷104が接続されている。   As shown in FIG. 1, the fuel cell power generator 101 is connected to a commercial AC 103 via a distribution board 102 installed in the home. Further, a home load 104 such as an air conditioner or a refrigerator is connected between the distribution board 102 and the fuel cell power generator 101.

燃料電池発電装置101は、実際の発電動作を行う発電ブロック105と、その発電ブロック105が動作するための電源を供給する電源ブロック106とから構成されている。   The fuel cell power generation apparatus 101 includes a power generation block 105 that performs an actual power generation operation and a power supply block 106 that supplies power for operating the power generation block 105.

発電ブロック105は、燃料ガスと酸化剤ガスとを用いて発電を行うスタック107と、スタック107の出力直流電力を交流電力に変換するインバータ108と、燃料電池発電装置101(つまり発電ブロック105と、その発電ブロック105が動作するための電源を供給する電源ブロック106)の起動、発電、終了、停止の一連の動作を制御する制御手段109と、都市ガスなどの原料を水蒸気改質し水素を主成分とする燃料ガスを生成する水素生成器110と、酸化剤ガスである空気をスタック107に供給するための送風機111と、スタック107が発電する際に発生した熱を回収し、温水として貯湯槽112に蓄える廃熱回収手段113で構成されている。   The power generation block 105 includes a stack 107 that generates power using fuel gas and an oxidant gas, an inverter 108 that converts output DC power of the stack 107 into AC power, and a fuel cell power generation apparatus 101 (that is, the power generation block 105). The power supply block 106) that supplies power for operating the power generation block 105) is controlled by a control means 109 for controlling a series of operations of starting, power generation, termination, and stop, and steam reforming raw material such as city gas is mainly used for hydrogen. A hydrogen generator 110 that generates fuel gas as a component, a blower 111 for supplying air as an oxidant gas to the stack 107, and a heat storage tank that collects heat generated when the stack 107 generates power and stores it as hot water 112 includes waste heat recovery means 113 stored in 112.

また、水素生成器110、送風機111や廃熱回収手段113は、ガスや水の流路を切換える弁や、水素生成器の温度を昇温させるヒータなどのアクチュエータ114、ガスや水の流路の温度、流量などを計測するセンサ115から構成されている。   In addition, the hydrogen generator 110, the blower 111, and the waste heat recovery means 113 include a valve that switches the flow path of gas and water, an actuator 114 such as a heater that raises the temperature of the hydrogen generator, and a flow path of gas and water. The sensor 115 is configured to measure temperature, flow rate, and the like.

電源ブロック106は、小容量電源116と大容量電源117の独立した2つの電源で構成されている。小容量電源116、大容量電源117ともに商用交流103とスタック107を入力として直流電圧を生成し、入力を任意に切換えながら発電ブロック105に電力供給できるように構成されている。   The power supply block 106 includes two independent power sources, a small capacity power source 116 and a large capacity power source 117. Both the small-capacity power supply 116 and the large-capacity power supply 117 are configured to generate a DC voltage with the commercial AC 103 and the stack 107 as inputs, and to supply power to the power generation block 105 while arbitrarily switching the inputs.

小容量電源116は、燃料電池発電装置101に入力された商用交流103を小容量AC/DCコンバータ118で所定の直流電圧へと変換して小容量切換え手段120に入力するように、また、スタック107の出力電圧を小容量DC/DCコンバータ119で所定の直流電圧へと変換して、小容量切換え手段120に入力するように構成されている。   The small-capacity power supply 116 converts the commercial AC 103 input to the fuel cell power generation apparatus 101 into a predetermined DC voltage by the small-capacity AC / DC converter 118 and inputs it to the small-capacity switching means 120. The output voltage 107 is converted into a predetermined DC voltage by the small capacity DC / DC converter 119 and input to the small capacity switching means 120.

ここで小容量切換え手段120はダイオードのOR回路で構成されており、小容量AC/DCコンバータ118と小容量DC/DCコンバータ119から入力される電圧の内、高い方を選択的に切換えながら発電ブロック105に電力を供給する。   Here, the small capacity switching means 120 is composed of a diode OR circuit, and generates power while selectively switching the higher one of the voltages inputted from the small capacity AC / DC converter 118 and the small capacity DC / DC converter 119. Power is supplied to the block 105.

また、小容量電源116は発電ブロック105内の制御手段109と燃料電池発電装置101の状態監視を行うガス漏れ検知センサなどの数種類のセンサ(これらガス漏れ検知センサなどの数種類のセンサを本実施の形態では、小容量電力機器と称する)を動作させるために必要な電源であり、比較的小さな電源容量で構成するのが好適である。   In addition, the small-capacity power supply 116 has several types of sensors such as a gas leak detection sensor for monitoring the state of the control means 109 in the power generation block 105 and the fuel cell power generation apparatus 101 (several types of sensors such as these gas leak detection sensors are installed in this embodiment. In the embodiment, it is a power source necessary for operating a small capacity power device), and is preferably configured with a relatively small power source capacity.

本実施の形態では小容量電源116の電源容量は10Wとし、小容量AC/DCコンバータ118の出力電圧を12V、小容量DC/DCコンバータ119の出力電圧を14Vとして構成している。   In this embodiment, the small-capacity power supply 116 has a power supply capacity of 10 W, an output voltage of the small-capacity AC / DC converter 118 is 12 V, and an output voltage of the small-capacity DC / DC converter 119 is 14 V.

また、小容量AC/DCコンバータ118の出力段には、小容量電力消費手段121も合わせて接続されている。ここで、一般的なコンバータの動作において、入力電圧・電流が十分な状態であっても、出力側の負荷が急激に変動するとその変動に応答できず、出力電圧が不安定になることがある。特に、出力側の負荷が0の状態から急激に立ち上がる場合には、出力電圧がほぼ0まで低下することもある。   A small capacity power consuming means 121 is also connected to the output stage of the small capacity AC / DC converter 118. Here, in general converter operation, even when the input voltage and current are sufficient, if the load on the output side fluctuates suddenly, it cannot respond to the fluctuation, and the output voltage may become unstable. . In particular, when the output-side load suddenly rises from 0, the output voltage may drop to almost 0.

これを解決するために、コンバータの出力負荷を完全に0にせず、微量な負荷を与える必要がある。そこで、小容量AC/DCコンバータ118の出力段には、出力準備状態を維持するのに必要な負荷を与えるために、小容量電力消費手段121を接続している。負荷の大きさとしては、小容量AC/DCコンバータ118の特性に応じて決定する必要があるが、消費電力の観点からできる限り小さくする方が好ましい。本実施の形態では、小容量電力消費手段は1kΩの抵抗で構成し、12mWの電力消費とする。   In order to solve this problem, it is necessary to apply a very small amount of load without completely setting the output load of the converter to zero. Therefore, a small-capacity power consumption means 121 is connected to the output stage of the small-capacity AC / DC converter 118 in order to give a load necessary to maintain the output preparation state. The size of the load needs to be determined according to the characteristics of the small capacity AC / DC converter 118, but is preferably as small as possible from the viewpoint of power consumption. In the present embodiment, the small-capacity power consuming means is constituted by a 1 kΩ resistor and has a power consumption of 12 mW.

続いて大容量電源117の構成について説明する。   Next, the configuration of the large capacity power source 117 will be described.

商用交流103が大容量AC/DCコンバータ122へ入力され、所定の直流電圧へと変換された後に大容量切換え手段123に入力されるように構成されている。また、大容量切換え手段123には合わせてスタック107の出力電圧が直接入力されるように構成されている。   The commercial AC 103 is input to the large-capacity AC / DC converter 122, converted into a predetermined DC voltage, and then input to the large-capacity switching means 123. The large capacity switching means 123 is configured so that the output voltage of the stack 107 is directly input.

ここで大容量切換え手段123はダイオードのOR回路で構成されており、大容量AC/DCコンバータ122とスタック107からの入力される電圧の内、高い方を選択的に切換えながら大容量DC/DCコンバータ124を介して発電ブロック105に電源を供給する。   Here, the large capacity switching means 123 is constituted by a diode OR circuit, and the large capacity DC / DC while selectively switching the higher one of the voltages inputted from the large capacity AC / DC converter 122 and the stack 107. Power is supplied to the power generation block 105 via the converter 124.

この大容量電源117は発電ブロック105内のアクチュエータ114やセンサ115(これらアクチュエータ114やセンサ115を本実施の形態では、大容量電力機器と称する)の駆動電源であり、先の小容量電源116に比べ大きな電力供給が必要である。また、アクチュエータ114、センサ115の電源電圧としては12V、24Vといった電圧が一般的である。そこで、本実施の形態では、大容量電源117の電源容量を100Wとし、大容量AC/DCコンバータ122の出力電圧を15V、大容量DC/DCコンバータ124の出力電圧を24Vとして構成している。   The large-capacity power source 117 is a driving power source for the actuator 114 and the sensor 115 in the power generation block 105 (the actuator 114 and the sensor 115 are referred to as a large-capacity power device in this embodiment). Larger power supply is required. Further, as the power supply voltage of the actuator 114 and the sensor 115, voltages such as 12V and 24V are generally used. Therefore, in this embodiment, the power capacity of the large capacity power supply 117 is 100 W, the output voltage of the large capacity AC / DC converter 122 is 15 V, and the output voltage of the large capacity DC / DC converter 124 is 24 V.

以上のように構成された燃料電池発電装置101において、以下その動作、作用を説明する。   The operation and action of the fuel cell power generation apparatus 101 configured as described above will be described below.

燃料電池発電装置101の動作は、大きく起動、発電、終了、停止といった4つの制御状態に分けることができる。   The operation of the fuel cell power generation apparatus 101 can be broadly divided into four control states such as startup, power generation, termination, and stop.

起動は発電ブロック105を発電可能な状態にする工程であり、発電はスタック107より電力が出力されている状態である。   Activation is a step of making the power generation block 105 in a state where power generation is possible, and power generation is a state in which power is output from the stack 107.

終了は、発電ブロック105を発電不可能な状態にする工程であり、停止は燃料電池発電装置101の状態を監視しながら、次の発電指示を待っている状態である。   The end is a step of making the power generation block 105 in a state in which power generation is impossible, and the stop is a state in which the next power generation instruction is awaited while monitoring the state of the fuel cell power generation device 101.

燃料電池発電装置101は、先に述べた4つの制御状態をあらかじめプログラムされたタイミングで遷移させながら適切に発電動作を行っている。なお、ここで、プログラムされたタイミングが利用者の家庭内負荷104の利用状況に応じて適宜更新されるような学習機能を持っていれば、利用者が頻繁に使用する時間帯をあらかじめ予測し、その時間帯のみ発電が行われるように制御状態を遷移させるので、より効率よく発電を行うことができるので好適である。また、遷移のタイミングは利用者による操作であってもよい。   The fuel cell power generation apparatus 101 appropriately performs a power generation operation while transitioning the above-described four control states at a timing programmed in advance. Here, if the learning function is such that the programmed timing is appropriately updated according to the usage situation of the user's home load 104, the time zone frequently used by the user is predicted in advance. Since the control state is shifted so that power generation is performed only during that time period, it is preferable because power generation can be performed more efficiently. Further, the transition timing may be an operation by the user.

まず、起動について説明をする。   First, activation will be described.

発電ブロック105が発電出力可能となるためには、燃料ガスの生成などの準備動作が必要であり、例えば、都市ガスなどの原料から水素を主成分とした燃料ガスを生成するといった動作である。具体的には、水素生成器110に付随して備えられた温度センサや流量センサの計測値を取込ながらヒータやファンなどのアクチュエータ114に対してフィードバック制御を行い、水素生成器110の温度を約600〜700度まで昇温させて都市ガスを水蒸気改質して燃料ガスを生成する。   In order for the power generation block 105 to be able to generate power, a preparation operation such as the generation of fuel gas is required. For example, the operation is to generate a fuel gas mainly composed of hydrogen from a raw material such as city gas. Specifically, feedback control is performed on the actuator 114 such as a heater or a fan while taking the measured values of the temperature sensor and the flow rate sensor that are attached to the hydrogen generator 110, and the temperature of the hydrogen generator 110 is controlled. The temperature is raised to about 600 to 700 degrees, and the city gas is steam reformed to generate fuel gas.

起動の工程が十分に進行し、燃料ガスが安定的に生成されるようになるとスタック107による発電へと移行する。スタック107は電解質膜を挟んでアノード電極とカソード電極が構成されたセルが複数積層して構成されている。このアノード電極側に燃料ガスを、カソード電極側に酸化剤である空気を供給することによって、スタック107にて化学反応による発電が行われる。   When the startup process is sufficiently advanced and fuel gas is stably generated, the power generation by the stack 107 is started. The stack 107 is formed by stacking a plurality of cells each including an anode electrode and a cathode electrode with an electrolyte membrane interposed therebetween. By supplying fuel gas to the anode electrode side and air as an oxidant to the cathode electrode side, the stack 107 generates power by a chemical reaction.

スタック107より出力された直流電力はインバータ108によって交流電力に変換され、家庭内負荷104に供給される。また、スタック107には廃熱回収手段113に接続された冷却水の循環経路が構成されている。廃熱回収手段113に付随して備えられたポンプなどのアクチュエータ114を制御して化学反応時に発生する熱を熱交換によって回収し、貯湯槽112に温水として蓄える。   The DC power output from the stack 107 is converted into AC power by the inverter 108 and supplied to the household load 104. In addition, a cooling water circulation path connected to the waste heat recovery means 113 is configured in the stack 107. The actuator 114 such as a pump provided with the waste heat recovery means 113 is controlled to recover heat generated during the chemical reaction by heat exchange, and is stored in the hot water storage tank 112 as hot water.

続いて、終了について説明する。   Next, the end will be described.

弁を閉じて都市ガスの供給を遮断し、水素生成器110での燃料ガス生成を停止する。そして水素生成器110に備えられたファンを駆動し、都市ガスの改質が行われない温度まで水素生成器110を冷却する。また、発電ブロック105の劣化を防止するために、スタック107、水素生成器110やガス経路等を不活性ガスでパージする。   The supply of the city gas is shut off by closing the valve, and the fuel gas generation in the hydrogen generator 110 is stopped. Then, the fan provided in the hydrogen generator 110 is driven to cool the hydrogen generator 110 to a temperature at which the city gas is not reformed. In order to prevent the power generation block 105 from being deteriorated, the stack 107, the hydrogen generator 110, the gas path, and the like are purged with an inert gas.

終了の工程が十分に行われ、発電ブロック105が安定的に発電不可能な状態で保たれると、アクチュエータ114の動作を停止して、次回の発電タイミングに備える。また、この停止中もガス漏れ検知センサ等で燃料電池発電装置101の安全状態を監視し、異常が発生した場合にはユーザーへの報知を行うなど所定の異常処理を行う。   When the end process is sufficiently performed and the power generation block 105 is stably maintained in a state where power generation is not possible, the operation of the actuator 114 is stopped to prepare for the next power generation timing. Even during this stoppage, the safety state of the fuel cell power generation apparatus 101 is monitored by a gas leak detection sensor or the like, and when an abnormality occurs, a predetermined abnormality process is performed such as notifying the user.

また、発電を除く、起動、終了、停止の3つの状態では、燃料電池発電装置101から交流電力は出力されないので、家庭内負荷104の電力は商用交流103から供給されて動作することになる。   In addition, in the three states of starting, ending, and stopping excluding power generation, the AC power is not output from the fuel cell power generation apparatus 101, so the power of the household load 104 is supplied from the commercial AC 103 and operates.

以上のような動作をする燃料電池発電装置101について、電源ブロック106から発電ブロック105への電源供給について、詳細の動作、作用を説明する。   Regarding the fuel cell power generation apparatus 101 that operates as described above, the detailed operation and action of the power supply from the power supply block 106 to the power generation block 105 will be described.

燃料電池発電装置101が設置されると、分電盤102を介して商用交流103が燃料電池発電装置101の電源ブロック106へ入力される。   When the fuel cell power generation apparatus 101 is installed, commercial AC 103 is input to the power supply block 106 of the fuel cell power generation apparatus 101 via the distribution board 102.

小容量電源116に入力された商用交流103は、小容量AC/DCコンバータ118により直流電圧12Vへ変換され、小容量切換え手段120を介して発電ブロック105へ供給される。直流電圧12Vが供給されると制御手段109が動作を開始し、先に述べた4つの状態に応じて燃料電池発電装置101を制御する。   The commercial AC 103 input to the small-capacity power supply 116 is converted into a DC voltage 12 V by the small-capacity AC / DC converter 118 and supplied to the power generation block 105 via the small-capacity switching means 120. When the DC voltage 12V is supplied, the control means 109 starts to operate and controls the fuel cell power generator 101 according to the four states described above.

以下、状態毎に電源ブロック106の動作を図2と図3を用いて説明する。図2は小容量電源116の動作フローチャートであり、図3は大容量電源117の動作フローチャートである。   Hereinafter, the operation of the power supply block 106 for each state will be described with reference to FIGS. FIG. 2 is an operation flowchart of the small capacity power supply 116, and FIG. 3 is an operation flowchart of the large capacity power supply 117.

まず、停止時の小容量電源116の動作を説明する。   First, the operation of the small-capacity power supply 116 when stopped will be described.

商用交流103が入力されたと判断すると(S101)、商用交流103は小容量AC/DCコンバータ118で直流電圧12Vに変換されて(S102)、小容量切換え手段120に入力される。   If it is determined that the commercial AC 103 has been input (S101), the commercial AC 103 is converted to a DC voltage of 12V by the small capacity AC / DC converter 118 (S102) and input to the small capacity switching means 120.

なお、商用交流103が入力されていない場合は(S101)、小容量AC/DCコンバータ118は停止状態となる(S103)。   If the commercial AC 103 is not input (S101), the small capacity AC / DC converter 118 is stopped (S103).

また、発電が行われていないのでスタック107からの出力はなく、小容量DC/DCコンバータ119は動作しない(S107)。その結果、小容量切換え手段120の入力に対して「小容量AC/DCコンバータの出力電圧(12V)>小容量DC/DCコンバータの出力電圧(0V)」の関係が成立する。   Further, since no power generation is performed, there is no output from the stack 107, and the small capacity DC / DC converter 119 does not operate (S107). As a result, the relationship of “the output voltage (12 V) of the small capacity AC / DC converter> the output voltage (0 V) of the small capacity DC / DC converter” is established with respect to the input of the small capacity switching means 120.

小容量切換え手段120は二つの入力電圧の内、高い方を発電ブロック105へ供給するので、商用交流103を供給元として小容量AC/DCコンバータ118より直流電圧12Vが、発電ブロック105へと供給される(S108、S109)。   Since the small capacity switching means 120 supplies the higher one of the two input voltages to the power generation block 105, the DC voltage 12V is supplied to the power generation block 105 from the small capacity AC / DC converter 118 using the commercial AC 103 as the supply source. (S108, S109).

ここで、小容量切換え手段120は二つの入力をダイオードによるOR回路で合流させる構成としているので、入力電圧の高低が変われば自動的に入力元を切換えて電源供給を行うことができる。   Here, since the small-capacity switching means 120 has a configuration in which two inputs are joined by an OR circuit using a diode, the power source can be supplied by automatically switching the input source if the level of the input voltage changes.

また、この時、電圧の高い小容量AC/DCコンバータ118の出力から、電圧の低い小容量DC/DCコンバータ119の出力へ電流が流れ込むのをダイオードによって防いでいる。またここで、小容量AC/DCコンバータ118は、小容量電力消費手段121にも電力供給を行っている(S104)。   At this time, the diode prevents the current from flowing from the output of the small-capacity AC / DC converter 118 having a high voltage to the output of the small-capacity DC / DC converter 119 having a low voltage. Here, the small-capacity AC / DC converter 118 also supplies power to the small-capacity power consumption means 121 (S104).

停止時の大容量電源117も同様に、商用交流103が入力されたと判断すると(S201)、商用交流103は大容量AC/DCコンバータ122で直流電圧15Vに変換されて(S202)、大容量切換え手段123に入力される。   Similarly, when it is determined that the commercial AC 103 is input to the large-capacity power supply 117 at the time of stopping (S201), the commercial AC 103 is converted into a DC voltage of 15 V by the large-capacity AC / DC converter 122 (S202), and the large-capacity switching is performed. Input to means 123.

なお、商用交流103が入力されていない場合は(S201)、大容量AC/DCコンバータ122は停止状態となる(S203)。     When the commercial AC 103 is not input (S201), the large-capacity AC / DC converter 122 is stopped (S203).

また、発電が行われていないのでスタック107からの出力はなく、その結果、大容量切換え手段123の入力に対して「大容量AC/DCコンバータ122の出力電圧(15V)>スタック107の出力電圧(0V)」の関係が成立する。   Further, since no power generation is performed, there is no output from the stack 107. As a result, the output of the large capacity AC / DC converter 122 (15V)> the output voltage of the stack 107 with respect to the input of the large capacity switching means 123. (0V) "is established.

ここで、大容量切換え手段123も、小容量切換え手段120と同様に二つの入力ダイオードのORか色で合流させる構成としているので、入力電圧の高低による入力元の自動切換え、および出力電圧の高い方から低い方への電流の流れ込みを防止することができ、その結果、商用交流103を供給元として大容量AC/DCコンバータ122の出力電圧を大容量DC/DCコンバータ124を介して発電ブロック105へ直流電圧24Vとして供給する(S204,S205)。   Here, the large-capacity switching means 123 is also configured to merge with the OR or color of the two input diodes similarly to the small-capacity switching means 120, so that the input source is automatically switched according to the input voltage level and the output voltage is high. As a result, the output voltage of the large-capacity AC / DC converter 122 is supplied to the power generation block 105 via the large-capacity DC / DC converter 124 using the commercial AC 103 as a supply source. Is supplied as a DC voltage of 24 V (S204, S205).

なお、発電中「大容量AC/DCコンバータ122の出力電圧≦スタック107の出力電圧」の関係が成立した場合は(S204)、スタック107の出力電圧を大容量DC/DCコンバータ124を介して発電ブロック105へ供給する(S206)。   If the relationship “output voltage of large-capacity AC / DC converter 122 ≦ output voltage of stack 107” is established during power generation (S204), the output voltage of stack 107 is generated via large-capacity DC / DC converter 124. It supplies to the block 105 (S206).

続いて、起動時の小容量電源116の動作を説明する。   Next, the operation of the small-capacity power supply 116 at startup will be described.

停止時と同様にスタック107からの入力が無いため、小容量AC/DCコンバータ118の直流出力電圧12Vを発電ブロック105と小容量電力消費手段121へ継続して供給し続ける(S104,S109)。   Since there is no input from the stack 107 as in the case of the stop, the DC output voltage 12V of the small capacity AC / DC converter 118 is continuously supplied to the power generation block 105 and the small capacity power consumption means 121 (S104, S109).

起動時の大容量電源117も同様に、スタック107からの入力が無いため大容量AC/DCコンバータ122の直流出力電圧を大容量DC/DCコンバータ124を介して直流電圧24Vとして発電ブロック105へ継続して供給し続ける(S205)。   Similarly, since there is no input from the stack 107, the large-capacity power supply 117 at the time of start-up continues the DC output voltage of the large-capacity AC / DC converter 122 as a DC voltage 24V via the large-capacity DC / DC converter 124 to the power generation block 105. The supply continues (S205).

続いて、発電時の小容量電源116の動作を説明する。   Next, the operation of the small capacity power supply 116 during power generation will be described.

発電が行われスタック107からの出力電圧が上昇し、小容量DC/DCコンバータ119の動作可能下限電圧である13Vを上回ると(S105)、小容量DC/DCコンバータ119が動作して、直流電圧14Vを出力する(S106)。   When power generation is performed and the output voltage from the stack 107 rises and exceeds 13 V, which is the operable lower limit voltage of the small-capacity DC / DC converter 119 (S105), the small-capacity DC / DC converter 119 operates and the DC voltage 14V is output (S106).

すると、小容量切換え手段120は「小容量AC/DCコンバータ118の出力電圧(12V)<小容量DC/DCコンバータ119の出力電圧(14V)」の関係より、スタック107の出力電圧を供給元として、直流電圧14Vを発電ブロック105へ供給するように動作を切換える(S108,S110)。ただし、小容量AC/DCコンバータ118から小容量電力消費手段121への電力供給は継続される(S104)。   Then, the small-capacity switching means 120 uses the output voltage of the stack 107 as the supply source from the relationship “output voltage (12V) of the small-capacity AC / DC converter 118 <output voltage (14V) of the small-capacity DC / DC converter 119”. Then, the operation is switched so as to supply the DC voltage 14V to the power generation block 105 (S108, S110). However, the power supply from the small capacity AC / DC converter 118 to the small capacity power consumption means 121 is continued (S104).

一方、発電時の大容量電源117は、スタック107の出力電圧が上昇して15Vを上回ると、「大容量AC/DCコンバータ122の出力電圧(15V)<スタック107の出力電圧(15V以上)」の関係が成立するので、ダイオードのOR回路で構成された大容量切換え手段123は自動的にスタック107の出力電圧を大容量DC/DCコンバータ124を介して発電ブロック105へ直流電圧24Vとして供給するように動作を切換える(S204,S206)。   On the other hand, when the output voltage of the stack 107 rises and exceeds 15V, the large-capacity power supply 117 during power generation indicates that “the output voltage of the large-capacity AC / DC converter 122 (15V) <the output voltage of the stack 107 (15V or more)”. Therefore, the large-capacity switching means 123 configured by the diode OR circuit automatically supplies the output voltage of the stack 107 as the DC voltage 24V to the power generation block 105 via the large-capacity DC / DC converter 124. The operation is switched as described above (S204, S206).

続いて、終了時の小容量電源116の動作を説明する。   Next, the operation of the small capacity power supply 116 at the end will be described.

発電が停止してスタック107の出力電圧が徐々に低下して小容量DC/DCコンバータ119の動作可能下限電圧13Vを下回ると(S105)、小容量DC/DCコンバータ119が停止する(S107)。すると、小容量切換え手段120は「小容量AC/DCコンバータ118の出力電圧(12V)>小容量DC/DCコンバータ119の出力電圧(0V)」の関係より、商用交流103を供給元として、直流電圧12Vを発電ブロック105へ供給するように動作を自動的に切換える。   When the power generation is stopped and the output voltage of the stack 107 is gradually decreased to fall below the operable lower limit voltage 13V of the small capacity DC / DC converter 119 (S105), the small capacity DC / DC converter 119 is stopped (S107). Then, the small-capacity switching means 120 uses the commercial AC 103 as the supply source in accordance with the relationship “output voltage (12V) of the small-capacity AC / DC converter 118> output voltage (0V) of the small-capacity DC / DC converter 119”. The operation is automatically switched so as to supply the voltage 12V to the power generation block 105.

このとき、小容量AC/DCコンバータ118に対して出力負荷が急激に増加することになる。しかしながら、小容量AC/DCコンバータ118は発電中も小容量電力消費手段121へ12mWの電力供給を継続して行っていたので、出力負荷の急激な増加に対しても出力可能な状態を保っており、自動切換えの際にも出力電圧を低下させることなく安定して電源供給を継続できる。   At this time, the output load rapidly increases with respect to the small capacity AC / DC converter 118. However, since the small-capacity AC / DC converter 118 continues to supply 12 mW of power to the small-capacity power consumption means 121 even during power generation, the power output can be maintained even when the output load suddenly increases. Thus, stable power supply can be continued without reducing the output voltage even during automatic switching.

一方、終了時の大容量電源117は、スタック107の出力電圧が15V以下になると、大容量切換え手段123において「大容量AC/DCコンバータ122の出力電圧(15V)>スタック107の出力電圧(15V以下)」の関係が成立するので、商用交流103を供給元として大容量AC/DCコンバータ122および大容量DC/DCコンバータ124を介して発電ブロック105に直流電圧24Vを供給するように自動的に動作が切換わる(S204,S205)。   On the other hand, when the output voltage of the stack 107 becomes 15V or less, the large-capacity power supply 117 at the end of the high-capacity switching means 123 causes the "high-capacity AC / DC converter 122 output voltage (15V)> stack 107 output voltage (15V Therefore, the DC voltage 24V is automatically supplied to the power generation block 105 via the large-capacity AC / DC converter 122 and the large-capacity DC / DC converter 124 with the commercial AC 103 as the supply source. The operation is switched (S204, S205).

ここで、大容量切換え手段123の自動切換えの際に、大容量AC/DCコンバータ122の出力側の負荷が急激に増加するので、小容量AC/DCコンバータ118と同様に電圧低下が発生することが懸念される。しかしながら、スタック107の出力は寸断されるわけではなく、徐々に低下していくので、大容量AC/DCコンバータ122の出力電圧が低下したとしても、15Vを少し下回ったところで再度スタック107側に自動的に切換わり、発電ブロック105への電源供給は継続される。   Here, when the large-capacity switching means 123 is automatically switched, the load on the output side of the large-capacity AC / DC converter 122 increases abruptly, so that a voltage drop occurs as in the small-capacity AC / DC converter 118. Is concerned. However, since the output of the stack 107 is not cut off and gradually decreases, even if the output voltage of the large-capacity AC / DC converter 122 decreases, it automatically goes to the stack 107 side again when it is slightly below 15V. The power supply to the power generation block 105 is continued.

以上に示した各状態における電源ブロック106の電源供給について、発電ブロック105での必要な電力と、電源ブロック106より供給する電源の供給元が何かという観点でまとめたのが(表1)である。   The power supply of the power supply block 106 in each of the above states is summarized from the viewpoint of what power is required in the power generation block 105 and the source of the power supplied from the power supply block 106 (Table 1). is there.

燃料電池発電装置の4つの状態毎に、発電ブロック105についてはその時に必要な電力を、電源ブロック106については小容量電源116と大容量電源117のいずれが電源供給を行っているのか、またその供給元が商用交流103とスタック107のいずれなのか、動作しているコンバータはAC/DCコンバータとDC/DCコンバータのいずれなのかということを示している。   For each of the four states of the fuel cell power generation device, the power required for the power generation block 105 at that time, the power supply block 106, which of the small-capacity power supply 116 and the large-capacity power supply 117 supplies power, and It indicates whether the supply source is the commercial AC 103 or the stack 107, and the operating converter is an AC / DC converter or a DC / DC converter.

(表1)より、必要な電力が10Wと小さい停止状態では小容量電源116のみが電源を供給している。大容量電源117は動作しているもののアクチュエータ114が停止しているため実質的には電源供給が停止しているのと同様の状態である。   According to Table 1, only the small-capacity power supply 116 supplies power in a stop state where the required power is as low as 10 W. Although the large-capacity power supply 117 is operating, since the actuator 114 is stopped, the power supply is substantially the same as when the power supply is stopped.

図4は小容量AC/DCコンバータ118の電源効率特性を示す特性図である。図4に示すように、実際に必要な電力である10Wで電源効率が良くなるように設計するので、燃料電池発電装置101が停止状態で消費する電力を低減することができる。具体的には、10W時の電源効率が80%であるので、実際に商用交流103より消費する電力は12.5W(=10W÷80%)である。   FIG. 4 is a characteristic diagram showing power supply efficiency characteristics of the small capacity AC / DC converter 118. As shown in FIG. 4, since the power supply efficiency is designed to be improved with 10 W that is actually necessary power, the power consumed by the fuel cell power generation apparatus 101 in the stopped state can be reduced. Specifically, since the power efficiency at 10 W is 80%, the power actually consumed from the commercial AC 103 is 12.5 W (= 10 W ÷ 80%).

ここで、燃料電池発電装置101の4つの状態に対してひとつのAC/DCコンバータで電源供給した場合(従来例)と比較してその効果を示す。   Here, the effect is shown compared with the case where power is supplied by one AC / DC converter for the four states of the fuel cell power generation apparatus 101 (conventional example).

4つの状態に対して電源を供給するためには、4つの状態の内で最大の電力に合わせて電源を設計する必要がある。そのためには大容量AC/DCコンバータ122を用いなければならない。   In order to supply power to the four states, it is necessary to design the power source in accordance with the maximum power among the four states. For this purpose, a large capacity AC / DC converter 122 must be used.

図5は大容量AC/DCコンバータ122の電源効率特性を示す特性図であり、起動、終了時に必要な電力100Wで効率が良くなるように設計するので、10W出力時の電源効率は65%程度と低くなっている。これより、消費電力は15.4W(=10W÷65%)となる。従って、本実施の形態の構成によれば、大容量AC/DCコンバータ122で4つの状態に対して電源供給を行う場合に比べ、停止時に2.9W(=15.4W−12.5W)の消費電力の低減を行うことが可能となり、燃料電池発電装置101の総合効率を向上することができる。   FIG. 5 is a characteristic diagram showing the power supply efficiency characteristics of the large-capacity AC / DC converter 122. The power supply efficiency at the time of 10W output is about 65% because the efficiency is improved with the required power of 100W at the start and end. It is low. Accordingly, the power consumption is 15.4 W (= 10 W ÷ 65%). Therefore, according to the configuration of the present embodiment, compared with the case where the large-capacity AC / DC converter 122 supplies power to the four states, the power consumption is 2.9 W (= 15.4 W-12.5 W) when stopped. Power consumption can be reduced, and the overall efficiency of the fuel cell power generation apparatus 101 can be improved.

また、(表1)より、発電時には小容量電源116と大容量電源117の両方ともに、商用交流103ではなくスタック107で発電した直流電力を供給元として動作するので、スタック107の直流電力をインバータ108で交流に変換して商用交流103に供給し、その商用交流103として供給された電力をAC/DCコンバータで変換するものに比べて、効率よく燃料電池発電装置101の運転を行うことができる。   Further, from Table 1, since both the small-capacity power supply 116 and the large-capacity power supply 117 operate using the DC power generated by the stack 107 instead of the commercial AC 103 during power generation, the DC power of the stack 107 is converted into an inverter. The fuel cell power generation apparatus 101 can be operated more efficiently than the case where the AC is converted into AC at 108 and supplied to the commercial AC 103, and the power supplied as the commercial AC 103 is converted by the AC / DC converter. .

以下に図6、図7を用いて具体的に示す。   This will be specifically described below with reference to FIGS.

ここで、図6は小容量DC/DCコンバータ119の電源効率特性を示す特性図であり、図7は大容量DC/DCコンバータ124の電源効率特性を示す特性図である。   6 is a characteristic diagram showing the power supply efficiency characteristic of the small-capacity DC / DC converter 119, and FIG. 7 is a characteristic chart showing the power supply efficiency characteristic of the large-capacity DC / DC converter 124.

小容量電源116については、図6より小容量DC/DCコンバータ119の電源効率が10W時に85%であるので、実際にスタック107で消費する電力は11.8W(=10W÷85%)となる。   For the small-capacity power supply 116, since the power efficiency of the small-capacity DC / DC converter 119 is 85% at 10 W as shown in FIG. 6, the actual power consumed by the stack 107 is 11.8 W (= 10 W ÷ 85%). .

大容量電源117については、スタック107の直流出力を大容量DC/DCコンバータ124のみを介して供給する。図7より大容量DC/DCコンバータ124の電源効率が100W時に85%であるので、スタック107より消費する電力は117.6W(=100W÷85%)となる。これより電源ブロック106としての消費電力は合計129.4W(=11.8W+117.6W)となる。   For the large capacity power source 117, the direct current output of the stack 107 is supplied only through the large capacity DC / DC converter 124. From FIG. 7, since the power supply efficiency of the large capacity DC / DC converter 124 is 85% at 100 W, the power consumed from the stack 107 is 117.6 W (= 100 W ÷ 85%). As a result, the power consumption of the power supply block 106 is 129.4 W (= 11.8 W + 117.6 W) in total.

これに対してインバータ108による交流変換とAC/DCコンバータによる変換を経た場合は、インバータ108の変換効率を90%とすれば、小容量電源116については、図4より小容量AC/DCコンバータ118の電源効率が10W時に80%であるから、13.9W(=10W÷90%÷80%)がスタック107での消費電力となる。   On the other hand, when AC conversion by the inverter 108 and conversion by the AC / DC converter are performed, if the conversion efficiency of the inverter 108 is 90%, the small-capacity power supply 116 is smaller than that shown in FIG. Therefore, 13.9 W (= 10 W ÷ 90% ÷ 80%) is the power consumption in the stack 107.

また大容量電源117についても同様に、図5より大容量AC/DCコンバータ122の電源効率が100W時に80%であるから、138.9W(=100W÷90%÷80%)がスタックでの消費電力となり、電源ブロック106として合計での消費電力は152.8W(=13.9W+138.9W)となる。   Similarly, for the large-capacity power supply 117, since the power efficiency of the large-capacity AC / DC converter 122 is 80% at 100 W from FIG. 5, 138.9 W (= 100 W ÷ 90% ÷ 80%) is consumed in the stack. The total power consumption of the power supply block 106 is 152.8 W (= 13.9 W + 138.9 W).

従って本実施の形態の構成によれば、スタック107の発電電力をインバータ108で交流に変換して商用交流103に供給し、その商用交流103をAC/DCコンバータで変換するものに比べて、23.4W(=152.8W−129.4W)の消費電力の低減を行うことが可能となる。   Therefore, according to the configuration of the present embodiment, the generated power of the stack 107 is converted into alternating current by the inverter 108 and supplied to the commercial alternating current 103, and compared with the case where the commercial alternating current 103 is converted by the AC / DC converter. It is possible to reduce the power consumption of .4 W (= 152.8 W-129.4 W).

これにより、燃料電池発電装置101の安定動作を確保した上で総合効率を向上することができる。   Thereby, it is possible to improve the overall efficiency while ensuring the stable operation of the fuel cell power generator 101.

なお、本実施の形態では、小容量切換え手段120と大容量切り替え手段124をダイオードで構成したが、FETやトランジスタ等のスイッチ素子を用いても良い。その場合には、停止/起動/発電/終了といった燃料電池発電装置101の制御状態の遷移に応じて、先のスイッチ素子をON/OFFすることが必要である。   In the present embodiment, the small-capacity switching means 120 and the large-capacity switching means 124 are configured by diodes, but switching elements such as FETs and transistors may be used. In that case, it is necessary to turn on / off the previous switch element in accordance with the transition of the control state of the fuel cell power generation apparatus 101 such as stop / start / power generation / termination.

(実施の形態2)
図8は本発明の第2の実施の形態における燃料電池発電装置の構成図である。
(Embodiment 2)
FIG. 8 is a configuration diagram of a fuel cell power generator according to the second embodiment of the present invention.

実施の形態1と同一構成のものについては同一符号を付し、説明を簡略化する。   Components having the same configurations as those of the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and description thereof is simplified.

実施の形態1と異なる点は、小容量AC/DCコンバータ118の出力がスイッチ125を介して小容量電力消費手段121へ接続されているところである。小容量電力消費手段121での消費電力が12mWと小さいことから、スイッチ125は小電力用FETやトランジスタで構成するのが好適である。   The difference from the first embodiment is that the output of the small-capacity AC / DC converter 118 is connected to the small-capacity power consumption means 121 via the switch 125. Since the power consumption in the small-capacity power consumption means 121 is as small as 12 mW, the switch 125 is preferably composed of a small power FET or a transistor.

燃料電池発電装置101としての動作は実施の形態1と同一であり、異なるのは電源ブロックに関する動作である。以下に、相違点について動作を説明する。   The operation as the fuel cell power generation apparatus 101 is the same as that of the first embodiment, and the difference is the operation related to the power supply block. Below, operation | movement is demonstrated about a difference.

図9は小容量電源116の動作フローチャートであり、実施の形態1の図2と異なるのはステップS104が削除されステップS301〜S303が追加されている点である。   FIG. 9 is an operation flowchart of the small-capacity power supply 116. The difference from FIG. 2 of the first embodiment is that step S104 is deleted and steps S301 to S303 are added.

制御手段109は発電を終了する10秒前になるとスイッチ125をONして、小容量電力消費手段121へ電力供給を開始する(S301,S302)。そのため、10秒後に発電から終了へ遷移する際には、小容量AC/DCコンバータ118が出力急増に対応可能な状態となっており、小容量DC/DCコンバータ119から小容量AC/DCコンバータ118へ出力を切換える際にも出力電圧を低下させることなく安定して電源供給を継続できる。   The control means 109 turns on the switch 125 10 seconds before the end of power generation and starts supplying power to the small capacity power consumption means 121 (S301, S302). Therefore, when the transition from power generation to termination is made 10 seconds later, the small-capacity AC / DC converter 118 is in a state capable of responding to the rapid increase in output, and the small-capacity DC / DC converter 119 is switched to the small-capacity AC / DC converter 118. Even when switching the output, the power supply can be continued stably without reducing the output voltage.

これにより、小電力消費手段121を必要な時のみ有効とすることができるので、不要な電力消費を抑えて燃料電池発電装置101の総合効率を向上することができる。   Thereby, since the low power consumption means 121 can be made effective only when necessary, unnecessary power consumption can be suppressed and the overall efficiency of the fuel cell power generation apparatus 101 can be improved.

なお、発電終了まで10秒を超える間は、スイッチ125はオフのままである。   Note that the switch 125 remains off until it exceeds 10 seconds until the end of power generation.

また、本実施の形態ではスイッチ125をONする期間を発電終了前10秒としたが、小容量AC/DCコンバータ118が安定するのに十分な時間となるように設定すれば特に問題はない。また、スイッチ125のON期間は短い方が、総合効率の観点から好適であるが、小容量DC/DCコンバータ119と連動して発電中は常時ONするような構成とすれば、制御手段107の指令を必要とせず、小容量電源116内の閉じた回路で実現でき、回路の独立性を高めることができる。   In this embodiment, the switch 125 is turned on for 10 seconds before the end of power generation, but there is no particular problem as long as the time is sufficient for the small capacity AC / DC converter 118 to stabilize. In addition, a shorter ON period of the switch 125 is preferable from the viewpoint of overall efficiency, but if the configuration is such that the power is always turned on during power generation in conjunction with the small capacity DC / DC converter 119, the control means 107 can No command is required, and it can be realized by a closed circuit in the small-capacity power supply 116, and the independence of the circuit can be enhanced.

以上のように、本発明にかかる燃料電池発電装置は、必要な電力が小さい停止時には小容量電源のみを用いて、必要な電力が大きい起動、発電、終了時には小容量電源と大容量電源を用いて作動用電源の供給を行うので、小容量電源および大容量電源の電源効率を容量に応じて最適化することができ、消費電力の低減および総合効率の向上が可能となるので、作動状態による消費電力が大きく異なりかつ常時通電が必要な装置の電源としても適用できる。また、燃料電池発電装置の作動させるための電力を、スタックと商用交流の二つの供給元を発電状態に応じて安定的に切換えながら供給するので、電力変換時のロスを抑え、総合効率を向上させることが可能となるので、エンジン発電装置や太陽光発電装置などの家庭用発電装置全般にも適用できる。   As described above, the fuel cell power generation apparatus according to the present invention uses only a small capacity power source when the required power is low and uses a small capacity power source and a large capacity power source when the required power is large for start-up, power generation, and termination. Power supply for operation, the power efficiency of small-capacity power supplies and large-capacity power supplies can be optimized according to the capacity, and power consumption can be reduced and overall efficiency can be improved. The present invention can also be applied as a power source of a device that greatly varies in power consumption and requires constant energization. In addition, the power to operate the fuel cell power generator is supplied by switching the two sources of the stack and commercial AC in a stable manner according to the power generation state, thus reducing power conversion losses and improving overall efficiency. Therefore, the present invention can be applied to general home power generators such as engine power generators and solar power generators.

本発明の実施の形態1における燃料電池発電装置の構成図1 is a configuration diagram of a fuel cell power generator according to Embodiment 1 of the present invention. 同燃料電池発電装置の小容量電源の動作フローチャートOperation flowchart of small capacity power supply of the same fuel cell power generator 同燃料電池発電装置の大容量電源の動作フローチャートOperation flow chart of the large capacity power supply of the fuel cell power generator 同燃料電池発電装置の小容量AC/DCコンバータの電源効率特性を示す特性図Characteristic chart showing power supply efficiency characteristics of small capacity AC / DC converter of the same fuel cell power generator 同燃料電池発電装置の大容量AC/DCコンバータの電源効率特性を示す特性図Characteristic chart showing power supply efficiency characteristics of large capacity AC / DC converter of the same fuel cell power generator 同燃料電池発電装置の小容量DC/DCコンバータの電源効率特性を示す特性図Characteristic diagram showing the power supply efficiency characteristics of the small capacity DC / DC converter of the fuel cell power generator 同燃料電池発電装置の大容量DC/DCコンバータの電源効率特性を示す特性図Characteristic chart showing power supply efficiency characteristics of large capacity DC / DC converter of the same fuel cell power generator 本発明の実施の形態2における燃料電池発電装置の構成図Configuration diagram of fuel cell power generator in Embodiment 2 of the present invention 同燃料電池発電装置の小容量電源の動作フローチャートOperation flowchart of small capacity power supply of the same fuel cell power generator 従来の燃料電池発電装置の構成図Configuration diagram of conventional fuel cell power generator

符号の説明Explanation of symbols

101 燃料電池発電装置
102 分電盤
103 商用交流
104 家庭内負荷
105 発電ブロック
106 電源ブロック
107 スタック
108 インバータ
109 制御手段
110 水素生成器
111 送風機
112 貯湯槽
113 廃熱回収手段
114 アクチュエータ
115 センサ
116 小容量電源
117 大容量電源
118 小容量AC/DCコンバータ
119 小容量DC/DCコンバータ
120 小容量切換え手段
121 小容量電力消費手段
122 大容量AC/DCコンバータ
123 大容量切換え手段
124 大容量DC/DCコンバータ
125 スイッチ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 101 Fuel cell power generator 102 Distribution board 103 Commercial alternating current 104 Domestic load 105 Power generation block 106 Power supply block 107 Stack 108 Inverter 109 Control means 110 Hydrogen generator 111 Blower 112 Hot water storage tank 113 Waste heat recovery means 114 Actuator 115 Sensor 116 Small capacity Power supply 117 Large capacity power supply 118 Small capacity AC / DC converter 119 Small capacity DC / DC converter 120 Small capacity switching means 121 Small capacity power consumption means 122 Large capacity AC / DC converter 123 Large capacity switching means 124 Large capacity DC / DC converter 125 switch

Claims (6)

発電ブロックと、この発電ブロックに電源を供給する電源ブロックと、前記発電ブロックと前記電源ブロックの動作制御を行う制御手段とを備え、
前記発電ブロックは、炭化水素系原料ガスと水から水素を主成分とする燃料ガスを生成する水素生成器と、この水素生成器からの燃料ガスと酸化剤ガスとを反応させて発電を行うスタックと、このスタックからの直流電力を交流電力に変換するインバータとを有し、
前記電源ブロックは、前記制御手段と前記発電ブロック中の小容量電力機器に電力を供給する小容量電源と、前記発電ブロック中の大容量電力機器に電力を供給する大容量電源とを有し、
前記小容量電源は、商用交流を第一の所定電圧に変換する小容量AC/DCコンバータと、前記スタックからの出力を第二の所定電圧に変換する小容量DC/DCコンバータと、前記小容量AC/DCコンバータと前記小容量DC/DCコンバータの出力電圧の低い側に所定の電力を消費する小容量電力消費手段と、前記発電ブロックの起動および終了および停止している時には前記第一の所定電圧を前記発電ブロックの小容量電力機器に出力し、発電している時には前記第二の所定電圧を前記発電ブロックの前記小容量電力機器に出力する小容量切換え手段とを有し、
前記大容量電源は、前記商用交流を第三の所定電圧に変換する大容量AC/DCコンバータと、前記発電ブロックが起動および終了している時には前記第三の所定電圧を前記発電ブロックの大容量電力機器に出力し、発電している時には前記スタックの出力を前記発電ブロックの前記大容量電力機器に出力し、停止している時には、前記発電ブロックの前記大容量電力機器への出力を停止する大容量切換え手段とを有することを特徴とする燃料電池発電装置。
A power generation block, a power supply block for supplying power to the power generation block, and a control means for controlling the operation of the power generation block and the power supply block,
The power generation block includes a hydrogen generator that generates a fuel gas mainly composed of hydrogen from a hydrocarbon-based raw material gas and water, and a stack that generates power by reacting the fuel gas and the oxidant gas from the hydrogen generator. And an inverter that converts DC power from the stack into AC power,
The power supply block includes the control means, a small capacity power source that supplies power to the small capacity power device in the power generation block, and a large capacity power source that supplies power to the large capacity power device in the power generation block,
The small-capacity power supply includes a small-capacity AC / DC converter that converts commercial alternating current to a first predetermined voltage, a small-capacity DC / DC converter that converts an output from the stack to a second predetermined voltage, and the small-capacity A small-capacity power consuming means for consuming predetermined power to a low output voltage side of the AC / DC converter and the small-capacity DC / DC converter, and the first predetermined when the power generation block is started, terminated and stopped A small capacity switching means for outputting a voltage to the small capacity power device of the power generation block and outputting the second predetermined voltage to the small capacity power device of the power generation block when generating power;
The large-capacity power source includes a large-capacity AC / DC converter that converts the commercial alternating current into a third predetermined voltage, and the third predetermined voltage when the power generation block is activated and terminated. Outputs to the power device and outputs the stack output to the large-capacity power device of the power generation block when generating power, and stops output of the power generation block to the large-capacity power device when stopped A fuel cell power generator having a large capacity switching means.
前記大容量電源は、前記大容量切換え手段の出力を第四の所定電圧に変換する大容量DC/DCコンバータを有することを特徴とする請求項1に記載の燃料電池発電装置。 2. The fuel cell power generator according to claim 1, wherein the large-capacity power source includes a large-capacity DC / DC converter that converts an output of the large-capacity switching unit into a fourth predetermined voltage. 前記小容量切換え手段および前記大容量切換え手段の少なくともいずれか一方を、半導体素子で構成したことを特徴とする請求項1または2に記載の燃料電池発電装置。 3. The fuel cell power generator according to claim 1, wherein at least one of the small capacity switching unit and the large capacity switching unit is configured by a semiconductor element. 前記小容量電源は、前記第一の所定電圧が前記第二の所定電圧より低くなるように構成し、前記小容量切換え手段をダイオードのOR回路で構成したことを特徴とする請求項3に記載の燃料電池発電装置。 4. The small-capacity power supply is configured such that the first predetermined voltage is lower than the second predetermined voltage, and the small-capacity switching means is configured by an OR circuit of a diode. Fuel cell power generator. 前記小容量電力消費手段をON/OFFするスイッチを備えたことを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載の燃料電池発電装置。 The fuel cell power generator according to any one of claims 1 to 4, further comprising a switch for turning on and off the small-capacity power consumption means. 前記スイッチは第一の所定電圧と第二の所定電圧の切換えタイミング前の一定期間ONすることを特徴とする請求項5に記載の燃料電池発電装置。 6. The fuel cell power generator according to claim 5, wherein the switch is turned on for a predetermined period before switching timing between the first predetermined voltage and the second predetermined voltage.
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