JP2014182947A - 燃料電池用系統連系システム - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池の起動時や、商用電源において停電が発生した場合であっても、補機の駆動を確保することができる燃料電池用系統連系システムを提供すること。
【解決手段】燃料電池用系統連系システム１は、燃料電池１０と、補機４１、４２と、電源部５２と、昇圧コンバータ部２０と、系統連系インバータ部３０と、切替回路８５とを備える。電源部５２は、燃料電池１０とは別個独立して設けられている。補機４１、４２は、燃料電池１０における発電に用いられる。切替回路８５は、補機４１、４２を燃料電池１０に接続するか又は補機４１、４２を燃料電池１０及び電源部５２に接続するかの切り替えを行う。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池と商用電源系統とを連系する燃料電池用系統連系システムに関する。

燃料電池等の発電部と商用電源系統（以下「系統」ともいう）とを連系する燃料電池用系統連系システムは、パワーコンディショナを備えている。パワーコンディショナは、発電部で発電した直流電力を系統に供給可能な交流電力に変換するために、コンバータ部と系統連系インバータ部とを有している。コンバータ部は、発電部で発電された直流電圧を昇圧する。系統連系インバータ部は、コンバータ部で昇圧された直流電圧を、系統と同期のとれた交流電圧に変換する。

また、燃料電池用系統連系システムは、燃料電池において発電するための補機を備えている。補機とは、例えば、空気を燃料電池に供給するためのファン等である。補機は、商用電源からの電気又は燃料電池において発電された電気によって駆動される（例えば、特許文献１参照）。

特開２００６−２２８４３６号公報

商用電源からの電気により補機が駆動されている場合には、商用電源において停電が発生した場合には、補機の駆動を確保することができない。このため、商用電源における停電発生時には、燃料電池において正常に発電を行うことができなくなり、燃料電池用系統連系システムにおいては、安全性が問題となる。

また、燃料電池からの電気を利用して補機を駆動しようとする場合、燃料電池の起動時には、燃料電池から十分な電気が出力されていない。このため、燃料電池の起動時には、燃料電池から補機へ電気を供給することは困難である。

本発明は、燃料電池の起動時や、商用電源において停電が発生した場合であっても、補機の駆動を確保することができる燃料電池用系統連系システムを提供することを目的とする。

本発明は、燃料電池と、前記燃料電池における発電に用いられる補機と、前記燃料電池とは別個独立して設けられた電源部と、前記燃料電池から出力される直流電圧を所定の直流電圧に変換する昇圧コンバータ部と、前記昇圧コンバータ部から出力される直流電圧を交流電圧に変換して系統に供給すると共に、前記昇圧コンバータ部から出力される直流電流を所定の電流値に制御して系統に供給する系統連系インバータ部と、前記補機を前記燃料電池に接続するか又は前記補機を前記燃料電池及び前記電源部に接続するかの切り替えを行う切替回路と、を備える燃料電池用系統連系システムに関する。

また、前記切替回路は、前記燃料電池から前記補機へ電流を供給する整流作用を有する電子素子と、前記補機を、前記電源部から切り離した状態として前記燃料電池に接続するためのスイッチとを有することが好ましい。

また、前記補機は、交流電圧により駆動可能な交流駆動型補機を有し、前記燃料電池用系統連系システムは、前記燃料電池から出力され前記切替回路に供給された直流電圧を、交流電圧に変換して前記交流駆動型補機へ出力する補機用インバータ部を備えることが好ましい。

また、前記補機は、直流電圧により駆動可能な直流駆動型補機を有し、前記燃料電池用系統連系システムは、前記燃料電池から出力され前記切替回路に供給された直流電圧を所定の直流電圧に変換して、前記直流駆動型補機へ出力する補機用コンバータ部を備えることが好ましい。

また、前記電源部は、商用電源と無停電電源とを有し、前記商用電源と前記無停電電源とは、択一的に用いられることが好ましい。

また、前記系統連系インバータ部が出力する電流の電流値を制御可能な状態に前記系統連系インバータ部を維持するための模擬信号を、前記系統連系インバータ部に供給する系統模擬信号供給部を備えることが好ましい。

本発明によれば、燃料電池の起動時や、商用電源において停電が発生した場合であっても、補機の駆動を確保することができる燃料電池用系統連系システムを提供することができる。

本発明の実施形態による燃料電池用系統連系システム１を示すブロック図である。

以下、本発明の実施形態による燃料電池用系統連系システムについて、図１を参照しながら説明する。図１は、本発明の実施形態による燃料電池用系統連系システム１を示すブロック図である。

図１に示すように、燃料電池用系統連系システム１は、燃料電池１０と、昇圧コンバータ部としてのＤＣ／ＤＣコンバータ２０と、系統連系インバータ部としての系統連系インバータ３０と、交流駆動型補機としての補機４１と、直流駆動型補機としての補機４２と、補機用インバータ部としてのＤＣ／ＡＣインバータ４３と、補機用コンバータ部としてのＤＣ／ＤＣコンバータ４４と、トランス及び平滑回路５３と，系統模擬信号供給部５４と、制御部７１と、スイッチ８１、８２と、整流作用を有する電子素子としてのダイオード８３、８４と、を備えている。燃料電池用系統連系システム１は、発電部である燃料電池１０と商用電源系統５１（以下「系統５１」ともいう）とを連系する。

燃料電池１０と、ＤＣ／ＤＣコンバータ２０と、系統連系インバータ３０とは、この順で電気的に直列接続されている。より詳細には、ＤＣ／ＤＣコンバータ２０と系統連系インバータ３０とは、ＤＣバスにより電気的に接続されている。

また、系統連系インバータ３０と系統５１とは、スイッチ８２を介して電気的に接続／遮断可能である。また、系統模擬信号供給部５４は、系統連系インバータ３０とスイッチ８２との間に、電気的に接続されている。また、系統連系インバータ３０とスイッチ８２との間には、構内配電線負荷２が電気的に接続されている。構内配電線負荷２は、燃料電池用系統連系システム１が配置されている構内の装置等であって、配電線に接続された主要な装置等により構成される。従って、スイッチ８２は、系統５１が、燃料電池用系統連系システム１及び構内配電線負荷２から電気的に切り離された系統分離状態と、系統５１が、燃料電池用系統連系システム１及び構内配電線負荷２に電気的に接続された系統連係状態と、の切り替えを行う。

ＤＣ／ＡＣインバータ４３及びＤＣ／ＤＣコンバータ４４は、ダイオード８３を介して燃料電池１０に電気的に接続されている。また、スイッチ８１とダイオード８３とは、燃料電池１０とＤＣ／ＡＣインバータ４３及びＤＣ／ＤＣコンバータ４４との間で、電気的に並列接続されている。

ダイオード８３は、後述のように、燃料電池１０からＤＣ／ＡＣインバータ４３を介して補機４１へ電流を供給する整流作用を有する。また、ダイオード８３は、後述のように、燃料電池１０からＤＣ／ＤＣコンバータ４４を介して補機４２へ電流を供給する整流作用を有する。従って、スイッチ８１は、燃料電池１０と、ＤＣ／ＡＣインバータ４３及びＤＣ／ＤＣコンバータ４４とが、ダイオード８３のみを介して接続され、燃料電池１０から、ＤＣ／ＡＣインバータ４３及びＤＣ／ＤＣコンバータ４４へ電気が流れるスイッチ切断状態と、ＤＣ／ＡＣインバータ４３及びＤＣ／ＤＣコンバータ４４とが、ダイオード８３とスイッチ８１との両方を介して接続され、燃料電池１０から、ＤＣ／ＡＣインバータ４３及びＤＣ／ＤＣコンバータ４４へ電気が流れるスイッチ接続状態と、の切り替えを行う。

ＤＣ／ＡＣインバータ４３には、補機４１が電気的に接続されている。ＤＣ／ＤＣコンバータ４４には、補機４２が電気的に接続されている。また、スイッチ８１には、ダイオード８４を介してトランス及び平滑回路５３が電気的に接続されている。トランス及び平滑回路５３には、燃料電池１０とは別個独立して設けられた商用電源５２が、電気的に接続されている。

従って、スイッチ８１は、商用電源５２から、ＤＣ／ＡＣインバータ４３及びＤＣ／ＤＣコンバータ４４へ電気が流れる商用電源接続状態と、商用電源５２とＤＣ／ＡＣインバータ４３及びＤＣ／ＤＣコンバータ４４とが切り離されて電気的に接続されていない商用電源切断状態と、の切り替えを行う。

スイッチ８１及びダイオード８３は、切替回路８５を構成する。当該切替回路８５は、ＤＣ／ＡＣインバータ４３を介して補機４１を燃料電池１０に接続すると共に、ＤＣ／ＤＣコンバータ４４を介して補機４２を燃料電池１０に接続するか、又は、ＤＣ／ＡＣインバータ４３を介して補機４１を燃料電池１０及び電源部としての商用電源５２に接続すると共に、ＤＣ／ＤＣコンバータ４４を介して補機４２を燃料電池１０及び電源部としての商用電源５２に接続するかの切り替えを行う。

また、制御部７１と、ＤＣ／ＤＣコンバータ２０、系統連系インバータ３０、補機４１、４２、系統模擬信号供給部５４、及びスイッチ８１、８２とは、それぞれ電気的に接続されている。また、制御部７１は、系統停電検出器（図示せず）に接続されている。制御部７１は、ＤＣ／ＤＣコンバータ２０、系統連系インバータ３０、及びスイッチ８１、８２を制御可能である。また、制御部７１は、系統停電検出器（図示せず）からの信号を入力することにより、系統５１の停電を認識可能である。

燃料電池１０は、例えば、高温型の燃料電池であるＳＯＦＣ（固体酸化物形燃料電池）により構成される。燃料電池１０においては、水素と酸素とが反応することによる発電が行われる。燃料電池１０によって発電された直流電圧は、ＤＣ／ＤＣコンバータ２０に出力される。また、燃料電池１０によって発電された直流電圧は、常時、ダイオード８３を介して、ＤＣ／ＡＣインバータ４３及びＤＣ／ＤＣコンバータ４４に出力される。更に、スイッチ８１が切り替えられて、前述したスイッチ接続状態となっているときには、燃料電池１０によって発電された直流電圧は、スイッチ８１を介して、ＤＣ／ＡＣインバータ４３及びＤＣ／ＤＣコンバータ４４に出力される。

ＤＣ／ＤＣコンバータ２０は、燃料電池１０から出力される１１２．５Ｖ程度の直流電圧を、所定の直流電圧に変換（昇圧）する。所定の直流電圧とは、例えば、系統連系インバータ３０において系統５１に供給可能な電圧（例えば、ＡＣ２００Ｖ）の生成ができる程度の電圧（例えば、ＤＣ２８０Ｖ）であり、この出力電圧は、固定値である。

系統連系インバータ３０は、ＤＣ／ＤＣコンバータ２０から出力される直流電圧を、系統５１に供給可能な所定の交流電圧（例えば、ＡＣ２００Ｖ）に変換して系統５１に供給する。系統連系インバータ３０は、交流電圧を系統５１に供給するため、系統連系インバータ３０から出力される交流電圧の値は、固定値である。一方、系統連系インバータ３０は、系統連系インバータ３０から出力される電流の値を制御可能である。ＤＣ／ＤＣコンバータ２０及び系統連系インバータ３０のトータルでの変換効率は、９３％程度である。

ＤＣ／ＡＣインバータ４３は、燃料電池１０から出力され切替回路８５に供給された直流電圧を、補機４１において使用可能な所定の交流電圧（例えば、ＡＣ１００Ｖ）に変換する。ＤＣ／ＡＣインバータ４３は、変換した交流電圧を補機４１に出力する。ＤＣ／ＡＣインバータ４３の変換効率は、８８％程度である。

ＤＣ／ＤＣコンバータ４４は、燃料電池１０から出力され切替回路８５に供給された直流電圧を、補機４２において使用可能な所定の直流電圧（例えば、ＤＣ２４Ｖ）に変換（降圧）する。そしてＤＣ／ＤＣコンバータ４４は、変換した直流電圧を補機４２に出力する。ＤＣ／ＤＣコンバータ４４の変換効率は、９７％程度である。

補機４１は、燃料電池１０における発電に用いられる装置である。補機４１は、例えば、空気を燃料電池１０に供給するためのブロワ等により構成される。補機４１は、交流電圧（ＡＣ１００Ｖ）により駆動可能である。

補機４２は、燃料電池１０における発電に用いられる装置である。補機４２は、例えば、燃料電池１０に燃料を供給するためのブースターや、制御部７１を構成する制御装置等により構成される。補機４２は、直流電圧（ＤＣ２４Ｖ）により駆動可能である。

トランス及び平滑回路５３は、商用電源５２からの交流電圧（ＡＣ１００Ｖ）を、燃料電池１０から出力される直流電圧と同一の直流電圧（ＤＣ１１２．５Ｖ）に変換する。ダイオード８４は、トランス及び平滑回路５３からスイッチ８１へのみ電気を流す。

系統模擬信号供給部５４は、電圧モードで動作するインバータにより構成されている。具体的には、無停電電源装置（以下「ＵＰＳ」ともいう）や発電機等により構成されている。系統模擬信号供給部５４は、制御部７１による制御により、模擬信号としての系統５１と同一の交流電圧（例えば、ＡＣ２００Ｖ）を、擬似的に系統連系インバータ３０に供給する。

制御部７１は、シーケンサーにより構成されており、燃料電池１０について起動から発電までの一連の動作を制御する。具体的には、補機４１、４２等の制御を行う。また、制御部７１は、スイッチ８１、８２の切り替えの制御を、スイッチ８１、８２に対して行う。

制御部７１によるスイッチ８１、８２に対する制御は、以下のとおりである。
系統５１において停電が発生していないときには、制御部７１は、系統停電検出器（図示せず）からの信号により、系統５１において停電が発生していないことを検出する。これにより、制御部７１は、スイッチ８２に対して制御を行い、図１に示すように、系統５１が、燃料電池用系統連系システム１及び構内配電線負荷２に電気的に接続された系統連係状態とする。

また、制御部７１は、スイッチ８１に対して制御を行い、商用電源５２から、ＤＣ／ＡＣインバータ４３及びＤＣ／ＤＣコンバータ４４へ電気が流れる商用電源接続状態として、補機４１、４２に商用電源５２から電気を供給する。
このとき、燃料電池１０と、ＤＣ／ＡＣインバータ４３及びＤＣ／ＤＣコンバータ４４とが、ダイオード８３のみを介して接続され、燃料電池１０から、ＤＣ／ＡＣインバータ４３及びＤＣ／ＤＣコンバータ４４へ電気が流れるスイッチ切断状態となっている。これにより、補機４１、４２には、ダイオード８３を介して燃料電池１０が電気的に接続されているため、補機４１、４２には、商用電源５２からの電気と、ダイオード８３を介した燃料電池１０からの電気との両方が供給される。

系統５１において停電が発生したときには、制御部７１は、系統停電検出器（図示せず）からの信号により、系統５１において停電が発生していることを検出する。これにより、制御部７１は、スイッチ８２に対して制御を行い、系統５１が、燃料電池用系統連系システム１及び構内配電線負荷２から電気的に切り離された系統分離状態とする。また、制御部７１は、スイッチ８１に対して制御を行い、ＤＣ／ＡＣインバータ４３及びＤＣ／ＤＣコンバータ４４が、ダイオード８３とスイッチ８１との両方を介して接続され、燃料電池１０から、ＤＣ／ＡＣインバータ４３及びＤＣ／ＤＣコンバータ４４へ電気が流れるスイッチ接続状態とする。これにより、補機４１、４２に燃料電池１０からスイッチ８１を介して電気を供給する。

上述のように、系統５１において停電が発生したときに、制御部７１は、スイッチ８１及びスイッチ８２に対して制御を行い、系統５１が、燃料電池用系統連系システム１及び構内配電線負荷２から電気的に切り離された系統分離状態とされたが、この制御に限られない。例えば、制御部７１は、系統５１において停電が発生する前から、予めスイッチ８１に対して制御を行うことによりスイッチ８１を切り替えておいて、スイッチ８１を介して、燃料電池１０からＤＣ／ＡＣインバータ４３及びＤＣ／ＤＣコンバータ４４へ電気を供給しておくこともできる。この場合には、系統５１において停電は未だ発生していないため、系統５１は、スイッチ８２を介して、燃料電池用系統連系システム１及び構内配電線負荷２から電気的に接続された系統連系状態とされる。このようにすることで、補機４１、４２について、電源自立運転を行うことができる。

制御部７１によるスイッチ８１の切り替え中には、補機４１、４２には、ダイオード８３を介した燃料電池１０からの電気が供給される。このため、制御部７１によるスイッチ８１の切り替え中であっても、補機４１、４２には、ダイオード８３を介して燃料電池１０から電気が供給され、補機４１、４２の駆動は確保される。

上記本実施形態の燃料電池用系統連系システム１によれば、以下のような効果を得ることができる。燃料電池用系統連系システム１は、補機４１、４２を燃料電池１０に接続するか又は補機４１、４２を燃料電池１０及び電源部に接続するかの切り替えを行う切替回路８５を備える。補機４１、４２が燃料電池１０に接続されているときには、燃料電池１０で発電された電気により補機４１、４２を駆動することができる。また、電源部としての商用電源５２から自立して運転される電源として燃料電池１０を用いることができる。従って、商用電源５２が停電しているときであっても、燃料電池１０から補機４１、４２へ電気を供給することで、燃料電池１０は独立して発電することができる。

また、スイッチ８１を介して燃料電池１０から補機４１、４２へ電気を供給するため、ダイオード８３のみを介して燃料電池１０から補機４１、４２へ電気を供給する場合と比較して、電気の損失が少なく、高効率で電気を補機４１、４２へと供給することができる。

また、補機４１、４２が燃料電池１０及び商用電源５２に接続されているときには、電源部としての商用電源５２からの電気、及び、燃料電池１０で発電された電気により、補機４１、４２を運転することができる。このため、商用電源５２において停電が発生した場合であっても、燃料電池１０から電気が補機４１、４２へ供給されているため、補機４１、４２が停止することを防ぐことができ、燃料電池１０における発電が停止することを防ぐことができる。

また、切替回路８５は、燃料電池１０から補機４１、４２へ電流を供給する整流作用を有する電子素子としてのダイオード８３と、補機４１、４２を、電源部としての商用電源５２から切り離した状態として燃料電池１０に接続するためのスイッチ８１とを有する。このため、スイッチ８１を切り替えているときであっても、ダイオード８３を介して燃料電池１０から補機４１、４２へ電流が供給されるため、補機４１、４２が駆動停止することを防ぐことができる。

また、燃料電池用系統連系システム１は、系統連系インバータ３０が出力する電流の電流値を制御可能な状態に系統連系インバータ３０を維持するための模擬信号を、系統連系インバータ３０に供給する系統模擬信号供給部５４を備える。このため、系統連系インバータ３０が模擬信号を検出することにより、系統５１の停電時であっても、系統連系インバータ３０が動作を停止することを防ぐことができる。

本発明は、上記実施形態に限定されることはなく、特許請求の範囲に記載された技術的範囲において変形が可能である。例えば、電源部は、商用電源５２と無停電電源とを有し、商用電源５２と無停電電源とは、択一的に用いられてもよい。具体的には、トランス及び平滑回路５３と商用電源５２との間に、ＵＰＳを電気的に接続する。そして商用電源５２の停電時に、ＵＰＳから補機４１、４２に対して電気を供給するようにしてもよい。

また、系統模擬信号供給部５４は、ＵＰＳや発電機等により構成されていたが、これらに限定されない。例えば、燃料電池１０からの直流電圧を、模擬信号としての系統５１と同一の交流電圧（例えば、ＡＣ２００Ｖ）に変換可能なＤＣ／ＡＣインバータにより構成されてもよい。

また、切替回路８５は、ダイオード８３とスイッチ８１とを有していたが、これに限定されない。切替回路は、補機４１、４２を燃料電池１０に接続するか又は補機４１、４２を燃料電池１０及び電源部に接続するかの切り替えを行うことができればよい。従って例えば、ダイオード８３に代えて、燃料電池１０から補機４１、４２へ電流を供給する整流作用を有する電子素子を用いてもよい。

また、燃料電池１０は、ＳＯＦＣにより構成されていたが、ＳＯＦＣに限定されない。例えば、ＰＥＦＣ（固体高分子形燃料電池）等を用いてもよい。また、各電圧の値等は、本実施形態に記載の値に限定されない。また、本実施形態では、スイッチ８１が用いられたが、スイッチ８１に限定されず、例えば、スイッチ８１に代えて、リレーなどの開閉器が用いられてもよい。

１ 燃料電池用系統連系システム
１０ 燃料電池
２０ ＤＣ／ＤＣコンバータ（昇圧コンバータ部）
３０ 系統連系インバータ（系統連系インバータ部）
４１ 補機（交流駆動型補機）
４２ 補機（直流駆動型補機）
４３ ＤＣ／ＡＣインバータ（補機用インバータ部）
４４ ＤＣ／ＤＣコンバータ（補機用コンバータ部）
５１ 系統（商用電源系統）
５２ 商用電源（電源部）
５４ 系統模擬信号供給部
８１ スイッチ
８３ ダイオード（電子素子）
８５ 切替回路

Claims (6)

1. 燃料電池と、
   前記燃料電池における発電に用いられる補機と、
   前記燃料電池とは別個独立して設けられた電源部と、
   前記燃料電池から出力される直流電圧を所定の直流電圧に変換する昇圧コンバータ部と、
   前記昇圧コンバータ部から出力される直流電圧を交流電圧に変換して系統に供給すると共に、前記昇圧コンバータ部から出力される直流電流を所定の電流値に制御して系統に供給する系統連系インバータ部と、
   前記補機を前記燃料電池に接続するか又は前記補機を前記燃料電池及び前記電源部に接続するかの切り替えを行う切替回路と、を備える燃料電池用系統連系システム。
2. 前記切替回路は、前記燃料電池から前記補機へ電流を供給する整流作用を有する電子素子と、前記補機を、前記電源部から切り離した状態として前記燃料電池に接続するためのスイッチとを有する請求項１に記載の燃料電池用系統連系システム。
3. 前記補機は、交流電圧により駆動可能な交流駆動型補機を有し、
   前記燃料電池用系統連系システムは、前記燃料電池から出力され前記切替回路に供給された直流電圧を、交流電圧に変換して前記交流駆動型補機へ出力する補機用インバータ部を備える請求項１又は請求項２に記載の燃料電池用系統連系システム。
4. 前記補機は、直流電圧により駆動可能な直流駆動型補機を有し、
   前記燃料電池用系統連系システムは、前記燃料電池から出力され前記切替回路に供給された直流電圧を所定の直流電圧に変換して、前記直流駆動型補機へ出力する補機用コンバータ部を備える請求項１〜請求項３のいずれかに記載の燃料電池用系統連系システム。
5. 前記電源部は、商用電源と無停電電源とを有し、
   前記商用電源と前記無停電電源とは、択一的に用いられる請求項１〜請求項４のいずれかに記載の燃料電池用系統連系システム。
6. 前記系統連系インバータ部が出力する電流の電流値を制御可能な状態に前記系統連系インバータ部を維持するための模擬信号を、前記系統連系インバータ部に供給する系統模擬信号供給部を備える請求項１〜請求項５のいずれかに記載の燃料電池用系統連系システム。

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