JP2013143212A - Fuel cell power generation system and operation method thereof - Google Patents
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Abstract
Description
本発明の実施形態は、燃料電池発電システム及びその運転方法に関する。 Embodiments described herein relate generally to a fuel cell power generation system and an operation method thereof.
燃料電池発電システムは、燃料処理装置により生成された水素と酸素の結合エネルギーを直接電気エネルギーに変換するものであり、化学反応であるために発電効率が高く、汚染物質の排出が少ない環境性に優れた発電システムとして評価されている。 The fuel cell power generation system directly converts the combined energy of hydrogen and oxygen generated by the fuel processor into electrical energy, and since it is a chemical reaction, it has high power generation efficiency and low environmental pollution. It is evaluated as an excellent power generation system.
燃料電池発電システムは、燃料電池本体を内蔵するだけでなく、都市ガスやLPガス等に代表される炭化水素系燃料から水素ガスを取り出すための燃料処理装置、出力した直流電力を交流電力に変換する電気制御装置(インバータ)、発電に伴う発熱を回収する熱利用装置、システム全体を制御するための制御装置等を備え、一般家庭への送電を行っている。通常、燃料電池発電システムは、商用電源と連系した運転(連系運転)を行っている。 The fuel cell power generation system not only has a built-in fuel cell body, but also a fuel processing device for extracting hydrogen gas from hydrocarbon fuels typified by city gas and LP gas, and converts the output DC power to AC power. An electric control device (inverter), a heat utilization device that recovers heat generated by power generation, a control device for controlling the entire system, and the like are provided to transmit power to a general household. Usually, the fuel cell power generation system performs an operation linked to a commercial power source (interconnected operation).
近年、災害等により商用電源に停電が発生した場合において、燃料電池発電システムが自ら交流電圧を発生させて運転を行い、送電を継続する自立運転の必要性が高まっている。自立運転時は、燃料電池発電システムが家庭で使用される電力を送電するため、例えばリビングの照明を点灯すると、家庭の電力使用量が増加し、燃料電池発電システムの電力出力は急上昇する。また、リビングの照明を消灯すると、家庭の電力使用量が減少し、燃料電池発電システムの電力出力は急低下する。従来の燃料電池発電システムでは、自立運転時に、このような負荷の急変に対応できず、燃料電池発電システムが発電停止となるおそれがあった。 In recent years, when a power failure occurs in a commercial power source due to a disaster or the like, there is an increasing need for a self-sustained operation in which a fuel cell power generation system operates by generating an alternating voltage by itself and continues power transmission. During the self-sustained operation, the fuel cell power generation system transmits power used at home. For example, when a living room lighting is turned on, the amount of power used at home increases, and the power output of the fuel cell power generation system increases rapidly. Moreover, when the living room lights are turned off, the amount of power consumed at home decreases, and the power output of the fuel cell power generation system sharply decreases. The conventional fuel cell power generation system cannot cope with such a sudden change in load during the self-sustaining operation, and the fuel cell power generation system may stop generating power.
燃料電池発電システムにバッテリー(安定用蓄電池)を別途設けることで、負荷の急変に対応することは出来るが、燃料電池発電システムのコスト増加と筐体の大型化を伴うという問題があった。 By separately providing a battery (stabilizing storage battery) in the fuel cell power generation system, it is possible to cope with a sudden change in load, but there is a problem that the cost of the fuel cell power generation system is increased and the casing is enlarged.
本発明が解決しようとする課題は、商用電源の停電時に、安定的に自立運転を行い、かつコスト増加を抑制できる燃料電池発電システム及びその運転方法を提供することである。 The problem to be solved by the present invention is to provide a fuel cell power generation system capable of stably performing independent operation and suppressing cost increase during a power failure of a commercial power supply, and an operation method thereof.
本実施形態によれば、燃料電池発電システムは、商用電源と連系した連系運転及び前記商用電源の停電時に自立運転を行う。この燃料電池発電システムは、空気及び燃料ガスが供給され、発電を行う燃料電池と、前記燃料電池で発電した直流電力を交流電力に変換するインバータと、前記商用電源の停電を検出したときに、前記燃料電池への空気又は燃料ガスの供給量を増やす制御部と、を備える。 According to this embodiment, the fuel cell power generation system performs a self-sustained operation at the time of a grid connection operation linked to a commercial power source and a power failure of the commercial power source. This fuel cell power generation system is supplied with air and fuel gas, detects a fuel cell that generates power, an inverter that converts DC power generated by the fuel cell into AC power, and a power failure of the commercial power source, And a controller that increases the amount of air or fuel gas supplied to the fuel cell.
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
図1は、本実施形態に係る燃料電池発電システムの概略構成を示す。燃料電池発電システムは、燃料電池発電装置10と、燃料電池発電装置10から出力された直流電力を交流電力に変換するインバータ101と、送電遮断器103と、系統遮断器104と、燃料電池発電システムの全体を制御する制御部100とを備えている。インバータ101には、半導体スイッチ等で構成されるゲート102が設けられている。
FIG. 1 shows a schematic configuration of a fuel cell power generation system according to this embodiment. The fuel cell power generation system includes a fuel cell
燃料電池発電システムは、電力系統(商用電源)105の電圧及び周波数に同期した連系運転を行う。また、燃料電池発電システムは、電力系統105の停電時に、自立運転を行う。
The fuel cell power generation system performs an interconnection operation synchronized with the voltage and frequency of the power system (commercial power source) 105. Further, the fuel cell power generation system performs a self-sustained operation at the time of a power failure of the
図2に示すように、燃料電池発電装置10では、触媒が充填された改質器15に、燃料ブロア12により供給される燃料と、水タンク13から水ポンプ14を通じて供給される水とが混合して供給され、燃料から水素が取り出される。改質器15には、バーナ空気ブロア19によりバーナ空気が供給され、水素リッチなガスを取り出すために有効な温度に上昇し、以下のような改質反応が生じる。
2CH4+3H2O → 7H2+CO2+CO
As shown in FIG. 2, in the fuel cell
2CH 4 + 3H 2 O → 7H 2 + CO 2 + CO
改質器15において改質反応により生じるCOは、CO変成器16およびCO選択酸化器17を通過することで、数ppmレベルにまで低減する。なお、CO変成器16では、以下のような平衡反応により、CO濃度が低減する。
2CO+H2O → H2+CO2+CO
CO generated by the reforming reaction in the
2CO + H 2 O → H 2 + CO 2 + CO
また、CO選択酸化器17では、以下のような平衡反応により、CO濃度が数ppmレベルまで低減する。
3CO+O2 → 2CO2+CO
In the CO
3CO + O 2 → 2CO 2 + CO
CO変成器16およびCO選択酸化器17を通過した水素リッチなガスが、燃料電池11の燃料極に導入される。また、燃料電池11の酸化剤極には空気ブロア18により空気(酸素)が導入される。燃料電池11は、図示しない電解質膜と、電解質膜を挟んで対向して設けられた燃料極及び酸化剤極とを有している。酸化剤極に空気が導入され、燃料極に水素リッチなガスが導入されると、両極における電気化学反応によって電気(直流電力)と熱エネルギーが発生する。熱エネルギーは図示しない冷却水によって回収され、直流電力は図1のインバータ101に供給される。
The hydrogen-rich gas that has passed through the
なお、燃料電池11における余剰水素リッチガスは、バーナ空気ブロア19により供給されるバーナ空気と混合されて、改質器15に供給される。
The surplus hydrogen rich gas in the
図1に示すように、インバータ101は、燃料電池発電装置10の燃料電池11から出力される直流電力を交流電力に変換し、送電遮断器103を介して電力負荷106に電力を供給し、送電遮断器103、系統遮断器104を介して電力負荷107に電力を供給する。電力負荷106は、電力系統105の停電時に、燃料電池発電システムの自立運転により電力を供給する負荷である。電力負荷106は、例えば災害情報を取得するためのパソコン、テレビ、生活のための照明などである。一方、電力負荷107は、電力負荷105の停電時に自立運転する燃料電池発電システムから電力が供給されない負荷である。
As shown in FIG. 1, the
制御部100は、電力系統105の監視を行うとともに、ゲート102、送電遮断器103、及び系統遮断器104の解列/連結の切り替えを行う。例えば、制御部100は、電力系統105の停電を検知すると、ゲート102、送電遮断器103、及び系統遮断器104を解列し、ゲートブロックを行い、その後、ゲート102を閉じてゲートブロックを解除し、燃料電池発電システムがアイドル運転を行うようにする。ここで、アイドル運転とは、自己電力供給のためだけの運転状態をいう。
The
また、制御部100は、電力系統105の停電中に、電力負荷106の電源オンを検知したり、ユーザから電力供給を要求されたりした際に、送電遮断器103を接続し、燃料電池発電装置10により発電された電力が電力負荷106に供給されるようにし、燃料電池発電システムが自立運転を行うようにする。制御部100は、燃料電池発電システムが自立運転を行う際に、燃料電池発電装置10に供給される燃料ガス(水素リッチな改質ガス)及び/又は空気の流量を、連系運転時と比較して、増やす。具体的には、制御部100は燃料ブロア102及び/又は空気ブロア108を制御し、燃料ガス及び/又は空気の供給量を増やす。
In addition, the
燃料ガス及び/又は空気の流量を増やすことで、燃料電池発電装置10における燃料利用率/酸素利用率が下がり、電力負荷106の使用電力が急変しても、燃料利用率/酸素利用率が許容上限を超えることを防止できる。ここで、燃料利用率は燃料を発電に消費する割合をいい、酸素利用率は空気中の酸素を発電に消費する割合をいう。
By increasing the flow rate of the fuel gas and / or air, the fuel utilization rate / oxygen utilization rate in the fuel cell
また、制御部100は、電力系統105が停電から復帰した場合、系統遮断器104を接続して、燃料電池発電システムが連系運転を行うようにする。また、この時、制御部100は、燃料電池発電装置10に供給される燃料ガス及び/又は空気の流量を、自立運転時と比較して、減らす。すなわち、電力系統105が通常状態のときに燃料電池発電装置10に供給されていた燃料ガス及び/又は空気の流量に戻す。
In addition, when the
次に、図3に示すフローチャートを用いて、電力系統105の停電発生から停電復旧までの燃料電池発電システムの運転方法を説明する。
Next, the operation method of the fuel cell power generation system from the occurrence of a power failure of the
(ステップS101)電力系統105が通常状態のとき、燃料電池発電システムは、電力系統105の電圧及び周波数に同期した連系運転を行う。図4は、燃料電池発電システムの、連系運転時における出力電力、燃料利用率、酸素利用率の変遷の一例を示している。図4に示すように、連系運転時は、燃料利用率および酸素利用率の許容上限(図中一点鎖線)付近で発電を行っていることがわかる。これは、電力負荷106、107に対して電力系統105からも給電を行い、使用電力のばらつきに対応できることで、燃料電池発電システムの出力制御をゆるやかに行っているためである。許容上限にする理由は、燃料使用量を抑えることにより発電効率を高く維持することができるためである。
(Step S <b> 101) When the
(ステップS102)電力系統105に停電が発生した場合はステップS103に進む。
(Step S102) When a power failure occurs in the
(ステップS103)制御部100が、ゲート102を開きゲートブロックを行う。
(Step S103) The
(ステップS104)制御部100が、送電遮断器103及び系統遮断器104を解列する。
(Step S <b> 104) The
(ステップS105)制御部100が、ゲート102を接続し、ゲートブロックを解除する。これにより、燃料電池発電システムはアイドル運転を行う。
(Step S105) The
(ステップS106)電力負荷106に電力を供給する場合はステップS107へ進む。
(Step S106) When power is supplied to the
(ステップS107)制御部100が、送電遮断器103を接続する。これにより、燃料電池発電システムは自立運転を行う。
(Step S107) The
なお、このとき、制御部100は、燃料電池発電装置10に供給される燃料ガス及び/又は空気の流量を増やす。自立運転時は、電力負荷106のオン/オフ動作が燃料電池発電装置10の運転に直接影響する。
At this time, the
図5は、連系運転からアイドル運転を経て自立運転となった場合における、出力電力、燃料利用率、酸素利用率の変遷の一例を示している。図4に示す連系運転時とは異なり、自立運転時は、電力負荷106のオン/オフ動作の影響により、安定した燃料利用率および酸素利用率とならない。燃料電池発電装置10に供給される燃料ガス及び/又は空気の流量が連系運転時と同じである場合、電力負荷106の使用電力が急上昇すると、燃料利用率や酸素利用率が許容限界を超え、燃料電池発電装置10での発電が停止する。しかし、本実施形態では、自立運転時に、燃料電池発電装置10に供給される燃料ガス及び/又は空気の流量を増やすことで、燃料利用率及び酸素利用率に余裕を持たせ、電力負荷106の使用電力が急上昇しても、燃料利用率及び酸素利用率が許容限界を超えることを防止し、自立運転を安定継続することができる。
FIG. 5 shows an example of changes in output power, fuel utilization rate, and oxygen utilization rate when the operation is switched from the grid operation to the independent operation through the idle operation. Unlike the interconnected operation shown in FIG. 4, during the independent operation, the fuel utilization rate and the oxygen utilization rate are not stable due to the influence of the on / off operation of the
(ステップS108)電力系統105が停電から復旧した場合はステップS109に進む。
(Step S108) When the
(ステップS109)制御部100が、ゲート102を開きゲートブロックを行う。
(Step S109) The
(ステップS110)インバータ101が、電力系統105の電圧及び周波数に同期した交流電力を出力する。
(Step S110) The
(ステップS111)制御部100が、ゲート102を接続し、ゲートブロックを解除する。
(Step S111) The
(ステップS112)制御部100が、系統遮断器104を接続する。これにより、燃料電池発電システムの連系運転が再開される。
(Step S <b> 112) The
このように、本実施形態によれば、自立運転時に燃料電池発電装置10に供給される燃料ガス及び/又は空気の流量を増やすことで、電力負荷106の使用電力が急変しても、燃料利用率及び酸素利用率が許容限界を超えることを防止し、自立運転を安定継続することができる。従って、商用電源の停電時に、安定的に自立運転を行うことができる。また、バッテリーを別途設ける必要がないため、装置コストの増加を抑制することができる。
As described above, according to the present embodiment, even if the power consumption of the
上記実施形態では、送電遮断器103、系統遮断器104の接続を制御部100が行っていたが、これらをブレーカ等で構成し、ユーザが接続できるようにしてもよい。
In the above embodiment, the
なお、上記実施形態において、燃料ガス及び/又は空気の流量を増やすことは、燃料極に導入される水素及び/又は酸化剤極に導入される酸素の流量を増やすことであることは言うまでもない。 In the above embodiment, it goes without saying that increasing the flow rate of the fuel gas and / or air is increasing the flow rate of hydrogen introduced into the fuel electrode and / or oxygen introduced into the oxidizer electrode.
本発明の実施形態を説明したが、この実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。この新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。この実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。 Although the embodiment of the present invention has been described, this embodiment is presented as an example and is not intended to limit the scope of the invention. The novel embodiment can be implemented in various other forms, and various omissions, replacements, and changes can be made without departing from the scope of the invention. This embodiment and its modifications are included in the scope and gist of the invention, and are included in the invention described in the claims and the equivalents thereof.
10 燃料電池発電装置
11 燃料電池
12 燃料ブロア
13 水タンク
14 水ポンプ
15 改質器
16 CO変成器
17 CO選択酸化器
18 空気ブロア
19 バーナ空気ブロア
100 制御部
101 インバータ
102 ゲート
103 送電遮断器
104 系統遮断器
105 電力系統
106、107 電力負荷
DESCRIPTION OF
Claims (5)
空気及び燃料ガスが供給され、発電を行う燃料電池と、
前記燃料電池で発電した直流電力を交流電力に変換するインバータと、
前記商用電源の停電を検出したときに、前記燃料電池への空気又は燃料ガスの供給量を増やす制御部と、
を備えることを特徴とする燃料電池発電システム。 A fuel cell power generation system that performs a self-sustained operation at the time of a power failure of the commercial power supply and the commercial power supply,
A fuel cell that is supplied with air and fuel gas to generate electricity;
An inverter that converts DC power generated by the fuel cell into AC power;
A control unit that increases the amount of air or fuel gas supplied to the fuel cell when a power failure of the commercial power source is detected;
A fuel cell power generation system comprising:
前記第1遮断器と前記商用電源との間に設けられた第2遮断器と、
をさらに備え、
前記制御部は、前記商用電源の停電を検出したときに、前記第1遮断器及び前記第2遮断器を解列し、自立運転を行うにあたり前記第1遮断器を連結することを特徴とする請求項1に記載の燃料電池発電システム。 A first circuit breaker connected to the inverter;
A second circuit breaker provided between the first circuit breaker and the commercial power source;
Further comprising
The control unit disconnects the first circuit breaker and the second circuit breaker when detecting a power failure of the commercial power supply, and connects the first circuit breaker when performing a self-sustaining operation. The fuel cell power generation system according to claim 1.
燃料電池に空気及び燃料ガスを供給して直流電力を発電するステップと、
インバータにより、前記燃料電池で発電した直流電力を交流電力に変換するステップと、
前記商用電源を監視するステップと、
前記商用電源の停電を検出したときに、前記燃料電池への空気又は燃料ガスの供給量を増やすステップと、
を備えることを特徴とする燃料電池発電システムの運転方法。 An operation method of a fuel cell power generation system that performs a grid-operated operation linked to a commercial power source and a self-sustained operation at the time of a power failure of the commercial power source,
Supplying air and fuel gas to the fuel cell to generate DC power; and
A step of converting DC power generated by the fuel cell into AC power by an inverter;
Monitoring the commercial power source;
Increasing the supply amount of air or fuel gas to the fuel cell when detecting a power failure of the commercial power source;
A method of operating a fuel cell power generation system comprising:
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