JP2015177576A - 交流無停電電源システム - Google Patents
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Abstract
Description
a)前記電力検出部から出力された結果に基づいて、前記商用交流電源からの電力供給が、第1時間以上停止したかを決定する制御
b)前記商用交流電源からの電力供給が前記第1時間以上停止したと決定した場合に、前記スイッチを前記第1状態から前記第2状態に切り替える指令を、前記スイッチに送信する制御
c)前記b)の制御の後で、前記電力検出部から出力された結果に基づいて、前記商用交流電源からの電力供給の停止が、第2時間以上継続したかを決定する制御
d)前記商用交流電源からの電力供給の停止が、前記第2時間以上継続したと決定した場合に、前記燃料電池の発電を開始させる指令を前記燃料電池に送信する制御
a)前記電力検出部から出力された結果に基づいて、前記商用交流電源からの電力供給が、第1時間以上停止したかを決定する制御
b)前記商用交流電源からの電力供給が前記第1時間以上停止したと決定した場合に、前記スイッチを前記第1状態から前記第2状態に切り替える指令を、前記スイッチに送信する制御
c)前記b)の制御の後で、前記電力検出部から出力された結果に基づいて、前記商用交流電源からの電力供給の停止が、第2時間以上継続したかを決定する制御
d)前記商用交流電源からの電力供給の停止が、前記第2時間以上継続したと決定した場合に、前記燃料電池の発電を開始させる指令を前記燃料電池に送信する制御
図1において、本実施形態の交流無停電電源システム1は、第1給電ラインL1と、第2給電ラインL2と、切替リレー3と、コンバータ4と、電源スイッチ5と、燃料電池6と、システム制御基板7と、バッテリ8と、インバータ9とを備える。切替リレー3は、第1給電ラインL1と第2給電ラインL2とを切り替えるためのスイッチの一例である。
図1に示されるように、燃料電池6は、エアポンプ61と、流量計61aと、調圧器62cと、複数の制御弁63と、スタック100とを含む。図1中の実線は、電力の供給経路を示す。図1中の点線は、検出結果や指令などの信号の伝送経路を示す。一方、上述した燃料電池6の各構成要素を繋ぐ配管は、図2中の太い実線により示される。まず、燃料電池6の配管に関連する構成について、図2を参照しつつ説明する。次いで、図1に示される燃料電池6の各構成要素について、図3、図4及び図5を参照しつつ説明する。
図3に示されるように、スタック100は、複数の単位電池セル101aと、2つのエンドプレート101Bとを備える。複数の単位電池セル101aは、直列に積層された単位電池セル群101Aを構成する。2つのエンドプレート101Bの一方は、単位電池セル群101Aの一端に配置される。2つのエンドプレート101Bの他方は、単位電池セル群101Aの他端に配置される。複数本のボルト101Cは、複数の単位電池セル101a及び2つのエンドプレート101Bを貫通し、複数の単位電池セル101a及び2つのエンドプレート1Bを互いに固定する。
図6に示されるように、膜/電極接合体130は、固体高分子電解質膜131、カソード電極132及びアノード電極133を有する。固体高分子電解質膜131は、プロトンの導電性を有する。固体高分子電解質膜131は、含水状態においてプロトンを選択的に輸送する。固体高分子電解質膜131は、例えばナフィオン(登録商標)などの、スルホン酸基を持ったフッ素系ポリマーで構成される。
セパレータ110は、金属製の長方形の平板状の部材である。セパレータ110は、例えば、アルミニウム、ステンレス、カーボンなどで構成される。セパレータ110は、複数の第1流路壁111と、複数の第2流路壁117と、2つの第1貫通孔112と、2つの第2貫通孔113と、2つの第3貫通孔114と、2つの第4貫通孔115とを含む。
ガスケット120a、120bは、セパレータ110とほぼ同一寸法の長方形のシート材からなる。ガスケット120a、120bは、貫通孔121〜126を有する。ガスケット120a、120bを形成するシート材としては、例えば、極めて薄く加工したシリコンゴム又はエラストマーなどの弾性体を用いることができる。ガスケット120a、120bの中央には、最も大きな長方形の貫通孔121が設けられる。この貫通孔121の外形及び位置は、セパレータ110の表面に形成された各第1流路壁111と、セパレータ110の裏面に形成された各第2流路壁117とを含む、略長方形の領域に対応する。また、貫通孔121の外形は、膜/電極接合体130の両面に設けたカソード電極132及びアノード電極133にも対応する。
水素流入孔101Eからスタック100の内部に供給された水素は、積層方向に一直線に整列した第3貫通孔114に流入する。水素は、第3貫通孔114から第2流路117aに流入する。第2流路117aに流入した水素は、アノード電極133の拡散層133bによって膜/電極接合体130の面方向に拡散され、アノード電極133の触媒層133aに接触する。触媒層133aに接触した水素は、触媒層133aに含まれる触媒によって、水素イオンと電子とに乖離する。水素イオンは、固体高分子膜131を伝導し、カソード電極132の触媒層132aに到達する。一方、電子は、集電板101Fから、外部に取り出される。アノード電極133に接触した水素ガスは、第2流路117aに沿って第4貫通孔115に到達し、水素排出孔(非図示)を介してスタック1の外部に排出される。
図1に示されるように、燃料電池6は、スタック100に発電を行わせるための種々の補器類を備える。上述のとおり、図1中の実線は、電力の供給経路を示す。図1中の点線は、検出結果や指令などの信号の伝送経路を示す。燃料電池6の各補器類と、システム制御基板71とは、図1中の実線で示された伝送経路によって電気的に接続され、点線で示された伝送経路によって信号の送受信が可能となっている。
システム制御基板7は、システム制御部71、不揮発性メモリ72、表示部73、制御基板電源74、補器類電源75、電流/電圧検出部76、遮断回路77、電力回路78及び電流/電圧検出部79、ポンプ駆動回路81、制御弁駆動回路82、ファン駆動回路83及びヒータ駆動回路84を含む。上述のとおり、図1中の実線は、電力の供給経路を示す。図1中の点線は、検出結果や指令などの信号の伝送経路を示す。システム制御部71の構成要素は、図1中の実線で示された伝送経路によって電気的に接続され、図1中の点線で示された伝送経路によって信号の送受信が可能となっている。
バッテリ8は、通常時において、商用交流電源2から供給される電力で充電される。一方、バッテリ8は、停電時において、燃料電池6が稼働していない場合は、制御基板電源74及び補器類電源75を介して、システム制御基板7、燃料電池6の補器類及び負荷Rに電力を供給する。また、バッテリ8は、停電時において、燃料電池6が稼働している場合は、燃料電池6から供給される電力で充電される。本実施形態の交流無停電電源システム1では、商用交流電源2の停電発生から規定時間を経過する間は、バッテリ8が電力を供給する。本実施形態の交流無停電電源システム1では、例えば、この規定時間を10秒に設定してある。10秒を経過しても復電しない場合は、燃料電池6が起動される。つまり、燃料電池6は、10秒程度の短い停電では起動されない。10秒程度の短い停電には、バッテリ8の電力で対処する。ここでいう規定時間の10秒は、スタック100の発電を開始させる基準となる第2時間の一例である。バッテリ8は、充電可能な二次電池である。本実施形態では、バッテリ8として、24Vの出力電圧を有する鉛蓄電池が用いられる。但し、バッテリ8は、リチウムイオン電池やニッケル水素電池など、他の二次電池が用いられてよい。また、バッテリ8の出力電圧は24Vに限定されず、他の任意の電圧(例えば、12V)であってよい。
インバータ9は、第2給電ラインL2を介して、バッテリ8又は燃料電池6から供給される電力を直流から交流に変換する。インバータ9は、例えば、バッテリ8又は燃料電池6から出力される24Vの直流電圧を、商用電源と同じ100Vの交流電圧に変換可能な、DC/ACインバータである。
次に、本実施形態の交流無停電電源システム1の制御処理の流れについて、図7を参照しつつ説明する。図7に示されるステップS1〜S19は、図2に示されるシステム制御部71により実行される。なお、図7に示されるステップS1〜S19が、複数の制御部により実行される構成としてもよいことは、上述のとおりである。
交流無停電電源システム1が起動された後、ステップS1において、商用交流電源2の停電が発生したかが判断される。停電が発生していないと判別された場合(NO)は、ステップS2〜S11の通常時の制御が行われる。一方、停電が発生したと判別された場合(YES)は、ステップS12〜S19の停電時の制御(復電後の制御を含む)が行われる。ステップS1において停電の発生が検出されない限り、ステップS2〜S11の通常時の制御が繰り返し行われる。
交流無停電電源システム1は、図2に示される電源スイッチ5がONにされることで起動する。交流無停電電源システム1が起動すると、商用交流電源2からの電力が、第1給電ラインL1を介して、システム制御基板7及び燃料電池6の補器類に供給される。上述のとおり、切替リレー3は、システム制御部71の第1指令を受信して、接点を第1状態(第1入力部3aと出力部3cとの接続状態)にする。システム制御部71の第1指令は、図8(a)に示される電圧値が0Vの第1信号Lである。したがって、通常時における切替リレー3は、交流無停電電源システム1の起動の有無に拘わらず、第1状態を維持する。そして、通常時における商用交流電源2からの電力は、交流無停電電源システム1の起動の有無に拘わらず、第1給電ラインL1を通って負荷Rに供給される。
図7のステップS1において、システム制御部71は、商用交流電源2の停電が発生したかを判断する。図8(a)のタイムチャートは、ステップS1における停電検出の制御の具体例を示す。図8(a)の「商用交流電源」は、商用交流電源2の交流電圧波形を示す。図8(a)の「入力パルス」は、電圧検出部71aからシステム制御部71に入力されるパルス信号を示す。図8(a)の「リレー切替信号」は、システム制御部71から切替リレー3に送信される第1信号Lと第2信号Hとを示す。本実施形態では、第1信号Lを0V、第2信号Hを10Vに設定してある。
一方、ステップS1において、システム制御部71は、タイマーのスタートから0.83ms以内に立ち下りエッジbを電圧検出部71aから受信したと判別した場合(NO)、すなわち、商用交流電源2の停電が発生していない場合は、制御処理をステップS2に移行させる。商用交流電源2の停電が発生していない通常時には、商用交流電源2から供給される電力によって、バッテリ8が充電される。ステップS2において、システム制御部71は、上述したバッテリ8の充電制御を開始する。すなわち、システム制御部71は、温度センサ8aの検出結果に基づいて、バッテリ8の温度の監視を開始する。システム制御部71は、バッテリ8の温度が40℃を超えた場合には、バッテリ8の充電を中止させる。
一方、ステップS1において、システム制御部71は、タイマーのスタートから0.83ms以内に立ち下りエッジbを受信しないと判別した場合(YES)、すなわち、商用交流電源2の停電が発生した場合は、制御処理をステップS12に移行させる。なお、システム制御部71は、ステップS1の判断を肯定した時点で、システム制御部71を構成するCPUが標準に備える計時機能を用いて、時間の計測を開始する。計測された時間は、システム制御部71に含まれるRAMなどの記憶部に保存され、ステップS15の判断において用いられる。
本実施形態の交流無停電電源システム1は、停電の継続時間に基づいて、燃料電池6を起動させる。また、本実施形態の交流無停電電源システム1は、復電の継続期間に基づいて、燃料電池6を停止させる。このような構成により、本実施形態の交流無停電電源システム1は、頻繁に起こり得る瞬間的な停電や復電によって、燃料電池6が不安定な動作をすることがない。つまり、本実施形態の交流無停電電源システム1は、非常用の燃料電池1の起動制御及び停止制御をいずれも安定して行うことができる。
2 商用交流電源
3 切替リレー(スイッチ)
3a 第1入力部
3b 第2入力部
3c 出力部
4 コンバータ
5 電源スイッチ
6 燃料電池
7 システム基板
8 バッテリ
9 インバータ
100 スタック
L1 第1給電ライン
L2 第2給電ライン
R 負荷
Claims (9)
- 商用交流電源の停電時に燃料電池から電力供給する交流無停電電源システムであって、
第1入力部、第2入力部及び出力部を有し、入力される指令に応じて、前記第1入力部と前記出力部とが接続される第1状態、又は前記第2入力部と前記出力部とが接続される第2状態の切り替えが可能なスイッチと、
前記スイッチの前記第1入力部に電気的に接続され、前記商用交流電源からの電力が流れるための第1給電ラインと、
前記スイッチの前記第2入力部に電気的に接続され、前記燃料電池からの電力が流れるための第2給電ラインと、
前記第2給電ラインに電気的に接続され、燃料ガスと酸化ガスとの反応により電力を生成する複数の単位電池セルから構成されるスタックと、入力される指令に応じて前記スタックに対して燃料ガスと酸化ガスとの供給を調整可能な複数の弁と、を含む前記燃料電池と、
前記スタックと並列に、前記第2給電ラインに接続された充電可能なバッテリと、
前記第1給電ラインに流れる前記商用交流電源からの電力の状態に応じた結果を出力する電力検出部と、
制御部と、を含み、
前記制御部が、少なくとも下記a)〜d)の制御を行う、交流無停電電源システム。
a)前記電力検出部から出力された結果に基づいて、前記商用交流電源からの電力供給が、第1時間以上停止したかを決定する制御
b)前記商用交流電源からの電力供給が前記第1時間以上停止したと決定した場合に、前記スイッチを前記第1状態から前記第2状態に切り替える指令を、前記スイッチに送信する制御
c)前記b)の制御の後で、前記電力検出部から出力された結果に基づいて、前記商用交流電源からの電力供給の停止が、第2時間以上継続したかを決定する制御
d)前記商用交流電源からの電力供給の停止が、前記第2時間以上継続したと決定した場合に、前記燃料電池の発電を開始させる指令を前記燃料電池に送信する制御 - 前記制御部が、下記e)〜g)の制御を実行する、請求項1に記載の交流無停電電源システム。
e)前記d)の制御の後で、前記電力検出部から出力された結果に基づいて、前記商用交流電源からの電力供給が、所定の期間継続したかを決定する制御
f)前記商用交流電源からの電力供給が、前記所定の期間継続したと決定した場合に、前記スイッチを前記第2状態から前記第1状態に切り替える指令を前記スイッチに送信する制御
g)前記商用交流電源からの電力供給が、前記所定の期間継続したと決定した場合に、前記燃料電池の発電を停止させる指令を前記燃料電池に送信する制御 - 前記燃料電池は、
前記スタックに対して送風する冷却ファンと、
前記燃料電池が収納される筐体内の温度に応じた結果を前記制御部に出力する第1温度検出部とを備え、
前記制御部が、下記h)〜j)の制御を実行する、請求項1又は2に記載の交流無停電電源システム。
h)前記a)の制御において、前記商用交流電源からの電力供給が前記第1時間以上停止していないと決定した場合に、前記第1温度検出部からの結果に基づいて、前記筐体内の温度が閾値以上か決定する制御
i)前記筐体内の温度が閾値を超えると決定した場合に、冷却ファンを動作させる指令を前記冷却ファンに送信する制御
j)前記i)の制御の後で、前記筐体内の温度が閾値以上でないと決定した場合に、前記冷却ファンを停止させる指令を前記冷却ファンに送信する制御 - 前記燃料電池は、
前記第1給電ラインから電力が供給され、前記燃料電池の燃料ガスの供給源を加温する第1ヒータと、
前記燃料ガスの供給源の温度に応じた結果を前記制御部に出力する第2温度検出部とを備え、
前記制御部が、下記k)〜m)の制御を実行する、請求項1〜3のいずれか1項に記載の交流無停電電源システム。
k)前記a)の制御において、前記商用交流電源からの電力供給が前記第1時間以上停止していないと決定した場合に、前記第2温度検出部からの結果に基づいて、前記燃料電池の燃料ガスの供給源の温度が閾値以下か決定する制御
l)前記燃料ガス供給源の温度が閾値よりも低いと決定した場合に、前記第1ヒータをONにさせる指令を前記第1ヒータに送信する制御
m)前記l)の制御の後で、前記燃料ガス供給源の温度が閾値以下でない決定した場合に、前記ヒータをOFFにさせる指令を前記第1ヒータに送信する制御 - 前記燃料電池は、
前記複数の弁の温度に応じた結果を前記制御部に出力する第3温度検出部と、
前記第1給電ラインに電気的に接続され、前記複数の弁を加温する第2ヒータとを備え、
前記制御部が、下記n)〜p)の制御を実行する、請求項1〜4のいずれか1項に記載の交流無停電電源システム。
n)前記a)の制御において、前記商用交流電源からの電力供給が前記第1時間以上停止していないと決定した場合に、前記第3温度検出部からの結果に基づいて、前記燃料電池の制御弁の温度が閾値以下か決定する制御
o)前記制御弁の温度が閾値以下と決定した場合に、ヒータをONにさせる指令を前記第2ヒータに送信する制御
p)前記o)の制御の後で、前記制御弁の温度が閾値よりも低くないと決定した場合に、前記第2ヒータをOFFにさせる指令を前記第2ヒータに送信する制御 - 前記バッテリと前記スイッチの前記第2入力部との間において、前記第2給電ラインに接続されたインバータを備える、請求項1〜5のいずれか1項に記載の交流無停電電源システム。
- 前記b)の制御において、前記スイッチを前記第1状態から前記第2状態に切り替える指令が、第1電圧値に対応する第1信号であり、前記第1信号に応じて、前記スイッチが前記第1状態から前記第2状態に切り替わる、請求項1〜6のいずれか1項に記載の交流無停電電源システム。
- 前記f)の制御において、前記スイッチを前記第2状態から前記第1状態に切り替える指令が、前記第1電圧値よりも低い第2電圧値に対応する第2信号であり、前記第2信号に応じて、前記スイッチが前記第2状態から前記第1状態に切り替わる、請求項7に記載の交流無停電電源システム。
- 商用交流電源の停電時に燃料電池から電力供給する交流無停電電源システムであって、
第1入力部、第2入力部及び出力部を有し、入力される指令に応じて、前記第1入力部と前記出力部とが接続される第1状態、又は前記第2入力部と前記出力部とが接続される第2状態の切り替えが可能なスイッチであって、前記第1入力部が前記商用交流電源から交流電力を受け取り可能なスイッチと、
燃料ガスと酸化ガスとの反応により電力を生成する複数の単位電池セルから構成されるスタックと、入力される指令に応じて前記スタックに対して燃料ガスと酸化ガスとの供給を調整可能な複数の弁とを含み、前記スイッチの前記第2入力部に電気的に接続される前記燃料電池と、
前記燃料電池と並列に、前記スイッチの前記第2入力部に電気的に接続された充電可能なバッテリと、
前記第1入力部が受け取る前記商用交流電源の電力の状態に応じた結果を出力する電力検出部と、
制御部と、を含み、
前記制御部が、少なくとも下記a)〜d)の制御を行う、交流無停電電源システム。
a)前記電力検出部から出力された結果に基づいて、前記商用交流電源からの電力供給が、第1時間以上停止したかを決定する制御
b)前記商用交流電源からの電力供給が前記第1時間以上停止したと決定した場合に、前記スイッチを前記第1状態から前記第2状態に切り替える指令を、前記スイッチに送信する制御
c)前記b)の制御の後で、前記電力検出部から出力された結果に基づいて、前記商用交流電源からの電力供給の停止が、第2時間以上継続したかを決定する制御
d)前記商用交流電源からの電力供給の停止が、前記第2時間以上継続したと決定した場合に、前記燃料電池の発電を開始させる指令を前記燃料電池に送信する制御
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