JP2014011058A - 固体高分子形燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】 固体高分子形燃料電池１を備えるシステムにおいて、系統電源６から解列して自立運転に切換えた場合の適切な制御を提供する。
【解決手段】 自立運転時に固体高分子形燃料電池１の発電電力を、一定電力（５００Ｗ等）とし、システムの総負荷電力が一定電力（５００Ｗ等）を超えたときに、自立専用コンセント１７に接続される外部負荷への電力供給を一定時間停止する。この停止中に外部負荷電力を調整して総負荷電力を一定電力以下とすることにより、一定時間経過後に電力供給が再開される。
【選択図】 図１

Description

本発明は、電解質として固体高分子電解質膜を用い、比較的低温で発電可能な、固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）を備える固体高分子形燃料電池システムに関し、特に系統電源との連系による系統連系運転と系統電源から解列しての自立運転とが可能な固体高分子形燃料電池システムに関する。

特許文献１には、非常時対応型燃料電池システムが開示されている。
これは、電力需要場所に近接した分散型発電による電源を商用電源と接続して使用することができ、商用電源と切断されても、自立運転や、自立起動が可能であり、災害時などの短絡事故を回避して、家庭への電力を供給することができ、家庭の消費電力の変動による余剰電力を適切に消費して安全運転ができるよう構成されている。

この特許文献１では、自立運転中、外部負荷電力に応じて任意に変動させて、家庭への電力供給を行っている。この場合、家庭の消費電力の変動に対応して発電することは困難なため、家庭の消費電力より過剰の発電を行い、余剰の電力は負荷装置で適切に消費するようにしている。

特開２００７−１７９８８６号公報

しかし、現実的には、燃料電池で常時、外部負荷電力より多く発電することは困難で、この点で改善の余地があった。
本発明は、このような従来の課題に着目してなされたもので、自立運転時の適切な制御によって、システムを大型化することなく、停電時にも必要な電力を確保できるようにした燃料電池システムを提供することを目的とする。

このため、本発明は、
燃料と酸化剤との電気化学反応により発電する固体高分子形燃料電池と、この燃料電池の出力側に設けられるパワーコンディショナーと、前記燃料電池及び前記パワーコンディショナーを制御し、系統電源との連系による系統連系運転と系統電源から解列しての自立運転とを切換可能な制御装置と、を備える、固体高分子形燃料電池システムであって、
前記制御装置は、
自立運転時に本システムの総負荷電力を検出する総負荷電力検出部と、
自立運転時に前記燃料電池の発電電力を予め定めた一定値に制御する発電電力一定制御部と、
自立運転時の総負荷電力が前記一定値を超える場合は、自立運転時に本システムに接続される外部負荷への電力供給を一定時間停止する電力供給停止部と、
を含んで構成されることを特徴とする。

本発明によれば、システムの発電電力を一定の発電電力に制御し、総負荷電力が該一定電力を超えたときに一定時間電力供給を停止し、その間に、停電時において現実に必要とするだけの消費電力に調整させて一定時間経過後に電力供給を再開させることができる。

これにより、一時的な停電時に、外部負荷の消費電力より常に多く発電させるためにシステム発電容量を大きくする必要がなく、システムの大型化、ひいてはコストアップを抑制しつつ、現実的に合理的な電力供給を確保することができる。

本発明の一実施形態を示す固体高分子形燃料電池システムの構成図 上記システムを停止状態から起動し、自立運転一定電力制御とするときのタイムチャート 上記システムが高電力運転状態から出力電力を低下させて、自立運転一定電力制御とするときのタイムチャート モード切換制御のフローチャート 自立運転モードのフローチャート 自立運転一定電力制御中に外部負荷電力が一定電力を超えたときの状態を示すタイムチャート

以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。
図１は本発明の一実施形態を示す固体高分子形燃料電池システムの構成図である。
本実施形態の固体高分子形燃料電池システムは、固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）１と、パワーコンディショナー（ＰＣＳ）２と、制御装置１００と、を含んで構成される。

固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）１は、複数の固体高分子形燃料電池セルの組立体（セルスタック）である。各燃料電池セルは、燃料極（アノード）と、酸化剤極（カソード）と、これらの間に配置された電解質層とを有している。燃料極には、水素含有燃料が供給され、酸化剤極には、酸化剤として空気（酸素を含む）が供給される。

従って、固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）１は、電解質層の一端側の燃料極に水素が供給され、電解質層の他端側に酸素が供給されることで、水素と酸素との電気化学反応により、発電（直流電力を発生）する。電解質層が固体高分子形電解質膜により形成された固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）１は、比較的低温で発電可能であり、特に家庭用として優れている。

尚、燃料極への水素含有燃料の供給のため、一般的には、炭化水素系の燃料（例えば都市ガス、ＬＰＧ、灯油、メタノール、バイオ燃料など）を改質触媒を用いて水蒸気改質反応、部分酸化反応、自己熱改質反応などにより改質し、水素リッチな改質ガスを生成する燃料改質装置が用いられるが、図示は省略した。尚、燃料として改質処理を必要としない燃料（例えば、純水素ガス、水素富化ガス、水素吸蔵剤など）を用いる場合は、燃料改質装置を省略することができる。

パワーコンディショナー２は、燃料電池１で発生した直流電力を取出すものであり、また、直流電力を交流電力に変換する。従って、ＰＣＳ５は、燃料電池１で発生した直流電力を取出すＤＣ／ＤＣコンバータ３と、その後段で直流電力を交流電力に変換するＤＣ／ＡＣインバータ４とを含んで構成される。

パワーコンディショナー２の出力側（インバータ４の出力側）は、系統連系リレー５を介して、系統電源６と家庭内負荷７とに接続されている。
従って、系統連系時（系統連系リレー５のオン時）には、燃料電池１の発電電力がインバータ４を介して家庭内負荷７に供給され、燃料電池１の発電電力が家庭内負荷７の需要電力に満たない場合は、不足分として、系統電源６からの系統電力が家庭内負荷７に供給される。

また、系統連系リレー５の出力側から分岐ラインが設けられ、後述する切換リレー１８を介して、系統連系時に燃料電池システムからの各種補機８及び貯湯ユニット５１に電力が供給されるようになっている。また、貯湯ユニット５１内に配設されたラジエータ５２もリレー５３を介して駆動されるようになっている。補機８には、図示省略した燃料改質装置や空気供給装置を駆動させる機器（ポンプ、ヒータ等）が含まれる。

パワーコンディショナー２にはまた、余剰電力消費用の負荷装置として、余剰電力ヒータ９が接続される。余剰電力ヒータ９としては、ＤＣヒータ又はＡＣヒータのいずれでもよいが、ここではＡＣヒータを例示している。余剰電力ヒータ（ＡＣヒータ）９は、インバータ４の出力側にソリッドステートリレー（ＳＳＲ）１０を介して接続される。この余剰電力ヒータ９は、系統連系時において、燃料電池１の発電電力が家庭内負荷７の需要電力を上回った場合に、逆潮流を防止すべく余剰電力を消費し、また、後述する自立運転時にも余剰電力を消費しつつ一定の発電電力で運転させるために設けられる。また、余剰電力ヒータ９は、余剰電力を熱に変換し、貯湯ユニット５１の貯湯槽内の水（湯）を温めるのに利用される。但し、熱利用についてはこれに限定されるものではない。

制御装置１００は、マイクロコンピュータにより構成され、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ及び入出力インターフェイスなどを備えており、系統連系時には、家庭内負荷７の需要電力に応じて、燃料電池１の発電電力を制御し、これに合わせてパワーコンディショナー２（ＤＣ／ＤＣコンバータ３、ＤＣ／ＡＣインバータ４、ソリッドステートリレー１０等）を制御する。尚、パワーコンディショナー２との間ではデータの送受信が可能である。

家庭内負荷７の需要電力の検知には、系統電源６から家庭内負荷７に供給される電力を計測する電力計測器（変流器）１１と、パワーコンディショナー２から家庭内負荷７に供給される電力を計測する電力計測器１２とが用いられる。

制御装置１００による発電電力の制御は、燃料電池１への燃料及び空気の供給量を制御することによって行う。多くの場合は燃料改質装置を備えるので、燃料供給量の制御は燃料改質装置へ供給する燃料量を制御することになる。

従って、制御装置１００は、家庭内負荷７の需要電力に応じて設定される燃料電池１の発電電力目標値に従って（発電電力目標値を得るように）、燃料及び空気の供給量を制御することにより、燃料電池１の発電電力を制御する。

制御装置１００はまた、燃料電池１の発電電力の制御と並行し、パワーコンディショナー２を制御する。具体的には、燃料電池１の発電電力目標値に基づいて、燃料電池１から取り出す電流を設定・制御する。より詳しくは、燃料電池１の発電電力目標値を燃料電池１の出力電圧で除算して、電流目標値を設定し、この電流目標値に従って、燃料電池１から取り出す電流（掃引電流）を制御する。

本実施形態の固体高分子形燃料電池システムは、系統電源６との連系による系統連系運転と、系統電源６から解列しての自立運転（系統解列運転）とが可能である。
自立運転を可能にするため、パワーコンディショナー２には、外部電源１３を接続可能である。外部電源１３としては、例えば自動車のバッテリ（ＤＣ１２Ｖ）を想定している。このため、パワーコンディショナー２内のインバータ４の入力側にＤＣ／ＤＣコンバータ３と並列に専用のＤＣ／ＤＣコンバータ１４を設け、このＤＣ／ＤＣコンバータ１４の入力側に適宜のコネクタを介して外部電源１３を接続可能としてある。このように外部電源１３を接続可能とすることで、燃料電池１の発電停止中に停電した場合など、自立運転のために燃料電池１の起動が必要な場合に対処可能となる。

パワーコンディショナー２にはまた、自立運転時の出力ラインとして、系統連系ラインＬ１とは別に、インバータ４から自立起動リレー１５及び自立出力リレー１６を介して自立専用コンセント１７へ至る自立出力ラインＬ２が設けられる。

また、自立起動リレー１５と自立出力リレー１６との接続点から分岐ラインが設けられ、切換リレー１８を介して、自立運転時に燃料電池システムの各種補機８及び貯湯ユニット５１に電力が供給されるようになっている。

制御装置１００には、運転モード切換スイッチ２０からの信号が入力される。運転モード切換スイッチ２０は、ユーザーの操作により、停電時などに系統連系運転から自立運転への移行を指示することができ、また復電時などに自立運転から系統連系運転への移行を指示することができる。従って、制御装置１００は、運転モード切換スイッチ２０による指令に応じて、系統電源６との連系による系統連系運転と、系統電源６から解列しての自立運転とを切換可能である。言い換えれば、系統連系運転と自立運転とのモード切換えは自動では行われず、ユーザーにより運転モード切換スイッチ２０が操作されなければならない。

また、自立運転中の制御のため、電力計測器１２は、パワーコンディショナー２には、パワーコンディショナー２から供給される総負荷電力（自立専用コンセント１７に供給される外部負荷電力の他、補機８、貯湯ユニット５１及び余剰電力ヒータ９を含めた総負荷の消費電力）を計測し、これにより得た情報は制御装置１００に送信される。

停電時などに系統連系運転モードから自立運転モードへ切換える場合は、必要により外部電源１３を接続し、運転モード切換スイッチ２０を自立運転モード側へ操作（例えばオン操作）する。

これにより、制御装置１００は、系統連系リレー５をオフにして、系統電源６から解列する一方、自立起動リレー１５及び自立出力リレー１６をオンにして、自立運転に切換える。また、切換リレー１８によって補機８への電力供給ラインも切換える。

自立運転への切換えにより、燃料電池１の発電電力を自立専用コンセント１７に供給し、これに接続された各種外部負荷（図示せず）を作動させることができる。
尚、燃料電池システムは、系統電源６での運転中に停電を検知すると、一定時間（例えば１５分間）、待機状態に入るように構成されており、この待機時間内であれば、自立運転へのスムーズな移行が可能である。

自立運転への移行時に、燃料電池１が停止していた場合は、燃料電池１を起動する必要がある。この場合は、自立起動リレー１５のみオンにして（自立出力リレー１６はオフ）、外部電源１３により補機８を駆動しつつ、燃料電池１を起動する。そして、起動後に自立出力リレー１６をオンにして、燃料電池１の発電電力を自立専用コンセント１７に供給する。

自立運転モードでは、制御装置１００は燃料電池１の発電電力を予め定めた一定電力、例えば（定格出力７００Ｗに対し）５００Ｗに制御する。従って、移行時に燃料電池１が運転中であったならば、発電電力を５００Ｗに収束させる。このとき５００Ｗより高い状態から５００Ｗに低下させる場合は、図３に示すように、５００Ｗに低下してから、自立専用コンセント１７への電力供給を開始する。ここで、電力を低下中に電力供給を開始すると、外部負荷に対して電力供給量が不足して不意に電力供給量が不足し、安定した外部負荷の作動が維持できなくなる可能性がある。これに対し、一定電力供給状態で、電力供給不足となるのは、通常は、初めから外部負荷電力が大きすぎる場合か、あるいは、新たな外部負荷を使用したような場合であり、使用者が予め電力不足となる可能性を認識できるので、上記のような不測の事態を回避できる。

５００Ｗより低い状態から５００Ｗに上昇させる場合は、２５０Ｗ程度から自立専用コンセント１７への電力供給を開始する。一方、移行時に燃料電池１が停止中であった場合は、図２に示すように、起動して５００Ｗまで立上げる。この場合、起動開始後２５０Ｗ程度まで上昇した時点で、自立専用コンセント１７への電力供給を開始する。

このように発電電力を上昇させる場合は、供給開始電力を一定出力より小さく設定することにより、停電から電力供給開始までの待機時間をできる限り短縮することができ、必要最小限の電力を速やかに確保することができる。

以上の自立運転モードでは、一定電力（５００Ｗ）の発電中、外部負荷電力を超える余剰電力（＝一定発電電力−外部負荷電力）は、基本的に負荷装置としての余剰電力ヒータ９により消費するが、所定の条件では余剰電力ヒータ９に代えて又は余剰電力ヒータ９と併用して貯湯ユニット５１内のラジエータ５２を用いて消費する。

自立運転モードでは、総負荷電力が一定発電電力を超える場合、すなわち、過負荷の場合は、原則的に、外部負荷への電力供給を停止する。すなわち、自立出力リレー１６をオフにして、自立専用コンセント１７への電力供給を停止する。このときも一定電力（５００Ｗ）の発電は継続し、余剰分は、全て、余剰電力ヒータ９等で消費する。

電力供給停止後は、予め定めた一定時間（例えば３０秒）後に、再度、自立出力リレー１６をオンにして、自立専用コンセント１７への電力供給を再開する。
そして、電力供給再開後に負荷状態を再度チェックし、適正な負荷であれば、電力供給を継続するが、過負荷であれば、電力供給を再び一定時間（３０秒）停止する。この一定時間（３０秒）は、ユーザーが負荷を減少させることを期待しての待ち時間である。

次に図４及び図５により制御の流れをフローチャートにより説明する。
図４は制御装置１００により実行されるモード切換制御のフローチャートである。尚、初期状態は系統連系運転モードであるとする。

Ｓ１では、停電などにより運転モード切換スイッチ２０がオン操作されたか否かを判定し、オン操作された場合に、Ｓ２へ進む。
Ｓ２では、系統解列を実行する。次のＳ３では、燃料電池（ＦＣ）１が停止中か否かを判定し、停止中であれば、Ｓ４へ進んで、燃料電池１を起動する。燃料電池１が運転中の場合、又は、燃料電池１の起動が完了した場合は、Ｓ５の自立運転モードへ移行する。

その後は、Ｓ６で復電などにより運転モード切換スイッチ２０がオフ操作されたか否かを判定し、オフ操作された場合に、Ｓ７へ進む。
Ｓ７では、系統連系を実行する。そして、Ｓ８の系統連系運転モードへ戻る。

図５は制御装置１００により実行される自立運転モードのフローチャートである。
Ｓ１１では、発電電力を予め定めた一定電力、例えば５００Ｗに固定して、外部負荷に電力を供給し、余剰電力は余剰電力ヒータ９等により消費する設定とする。この発電電力一定制御部は、目標発電電力を一定（５００Ｗ）とする制御シーケンスにより実行され、この機能が発電電力一定制御部に相当する。

Ｓ１２では、電力計測器２１により総負荷電力を計測する。この電力計測器２１による総負荷電力計測機能が総負荷電力検出部に相当する。
Ｓ１３では、総負荷電力が発電電力である一定電力（５００Ｗ）以下であるかを判定し、一定電力以下に維持されているときは、Ｓ１５へ進む。

総負荷電力が一定電力を超えたと判定された場合は、過負荷との判定に基づいて、Ｓ１４にて自立出力リレー１６をオフにして、自立専用コンセント１７への電力供給を停止する。この総負荷電力が前記一定値を超える場合に外部負荷への電力供給を一定時間停止する機能が、電力供給停止部に相当する。次いでＳ１５へ進む。

Ｓ１５では、貯湯槽内の湯水の温度が上限温度以下に維持されているかを判定する。
湯水の温度が上限温度以下に維持されていると判定された場合は、Ｓ１６で余剰電力ヒータ９のみで余剰電力を消費させる。

一方、貯湯槽内の湯温が上限温度を超えていると判定された場合は、湯水の過熱抑制のため、リレー５３をオンとして、貯湯ユニット５１内の湯水冷却用のラジエータ５２を駆動して余剰電力を消費させる。具体的には、ラジエータ５２に湯水を循環させる電動ポンプやラジエータ５２のフィンに送風する電動ファンを駆動することによって余剰電力を消費する。なお、余剰電力ヒータ９からラジエータ５２の駆動に切り換えてもよいが、これらを併用して余剰電力を消費させてもよい。このように、ラジエータ５２を余剰電力消費として使用することにより、湯水を過熱することなく余剰電力を消費できる。

図６は、自立運転一定電力制御中に、総負荷電力が一定電力を超えたときの状態を示す。
このように、自立運転時に発電電力を５００Ｗ等、比較的高めの値に設定しておけば、例えば、外部負荷としてＴＶ、冷蔵庫、蛍光灯を使用したときのシステム消費電力（総負荷電力）が３００Ｗであれば、停電になった場合でも、停電前の使用状態を維持でき、さらに、エアコンの消費電力が２００Ｗ以下の場合、エアコンを使用した場合でもその使用状態を維持できる。

一方、エアコンの消費電力が２５０Ｗで合計のシステム消費電力（総負荷電力）が５００Ｗを超えるような場合は、一旦電力供給が停止されるが、その間に、エアコンその他の負荷の使用を停止し、使用者にとって最小限必要と判断した負荷を残すことにより、電力供給を再開できる。

このように、上記制御によれば、一時的な停電時に、外部負荷の消費電力より常に多く発電させるためにシステム発電容量を大きくする必要がなく、システムの大型化、ひいてはコストアップを抑制しつつ、必要な電力を確保することができ、現実的に合理的な電力供給機能が得られる。

また図２（の一定電力制御部分）及び図６で明らかなように、一定電力制御中における外部負荷の急激な変動にも余剰電力ヒータ９等により応答よく余剰電力を消費して一定電力を維持することができる。

尚、上記の説明では、制御装置１００は、パワーコンディショナー２から独立して設けられているが、制御機能の一部をパワーコンディショナー２内のコントローラに分担させて、協働で運転を制御してもよい。あるいは、制御装置１００自体をパワーコンディショナー２の筐体内に収納配置するようにしてもよい。

また、上記の説明では、発電電力や、電力供給停止時間等について、数値を示して説明したが、これは理解を容易にするためであり、数値限定する趣旨ではない。
また、図示の実施形態はあくまで本発明を例示するものであり、本発明は、説明した実施形態により直接的に示されるものに加え、請求の範囲内で当業者によりなされる各種の改良・変更を包含するものであることは言うまでもない。

１ 固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）
２ パワーコンディショナー
３ ＤＣ／ＤＣコンバータ
４ ＤＣ／ＡＣインバータ
５ 系統連系リレー
６ 系統電源
７ 家庭内負荷
８ 補機
９ 余剰電力ヒータ（ＡＣヒータ）
１０ ソリッドステートリレー
１１ 電力計測器
１２ 電力計測器
１３ 外部電源
１４ 外部電源用ＤＣ／ＤＣコンバータ
１５ 自立起動リレー
１６ 自立出力リレー
１７ 自立専用コンセント
１８ 切換リレー
２０ 運転モード切換スイッチ
５１ 貯湯ユニット
５２ ラジエータ
５３ リレー

Claims (6)

1. 燃料と酸化剤との電気化学反応により発電する固体高分子形燃料電池と、この燃料電池の出力側に設けられるパワーコンディショナーと、前記燃料電池及び前記パワーコンディショナーを制御し、系統電源との連系による系統連系運転と系統電源から解列しての自立運転とを切換可能な制御装置と、を備える、固体高分子形燃料電池システムであって、
   前記制御装置は、
   自立運転時に本システムの総負荷電力を検出する総負荷電力検出部と、
   自立運転時に前記燃料電池の発電電力を予め定めた一定値に制御する発電電力一定制御部と、
   自立運転時の総負荷電力が前記一定値を超える場合は、自立運転時に本システムに接続される外部負荷への電力供給を一定時間停止する電力供給停止部と、
   を含んで構成されることを特徴とする固体高分子形燃料電池システム。
2. 前記制御装置は、
   自立運転時に前記一定値が外部負荷電力を超える場合には、該外部負荷電力を超える余剰電力を余剰負荷により消費させる余剰電力消費部、
   を更に含んで構成されることを特徴とする請求項１に記載の固体高分子形燃料電池システム。
3. 前記余剰負荷は、電力ヒータを含むことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の固体高分子形燃料電池システム。
4. 前記余剰負荷は、電力ヒータによって加熱された湯水の温度が所定値以上のときに、該湯水を冷却する冷却器を含む請求項１〜請求項３のいずれか１つに記載の固体高分子形燃料電池システム。
5. 系統連系運転時の燃料電池の発電が停止状態又は前記一定値より低い発電電力での運転状態で自立運転に切り換えるときは、燃料電池の発電出力を前記一定値に到達するまで徐々に増大させると共に、前記一定値より低い出力に到達したときに、外部負荷への出力を可能とする請求項１〜請求項４のいずれか１つに記載の固体分子形燃料電池システム。
6. 系統連系運転時の燃料電池の発電出力が前記一定値より高い状態で自立運転に切り換えるときは、燃料電池の発電出力を徐々に減少させ、前記一定値まで減少したときに、外部負荷への出力を可能とする請求項１〜請求項５のいずれか１つに記載の固体分子形燃料電池システム。