JP2016177932A - 燃料電池用系統連系システム - Google Patents

Abstract

【課題】パワーコンディショナ及び燃料電池が系統電源から解列される回数を極力減少させ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、系統電源８０からの電流及び電圧に基づいて、コンバータ部２１に入力する入力電流を制御することにより、インバータ部２２からの出力電流を制御する入出力制御部５１を有する。燃料電池用系統連系システム１の燃料電池システム１０は、燃料電池１１からコンバータ部２１への出力電流に基づいて、燃料電池システム１０へ供給する燃料Ｇ１の量を制御する燃料供給制御部５２を有する。
【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（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１４−１７９１８４号公報

燃料電池用系統連系システムでは、燃料電池で発電した電気が系統電源側に逆潮流しないように、燃料電池の発電量に対して負荷が少なくなってきたときに、保護装置が働いて、パワーコンディショナ及び燃料電池が系統電源から解列される。しかし、保護装置による解列は、極力行われないことが好ましい。

本発明は、パワーコンディショナ及び燃料電池が系統電源から解列される回数を極力減少させ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、燃料電池を有する燃料電池システムと、前記燃料電池から出力された直流電圧を昇圧するコンバータ部と、前記コンバータ部で昇圧された直流電圧を、系統電源と同期の取れた交流電圧に変換するインバータ部と、を有するパワーコンディショナと、系統電源からの電流及び電圧に基づいて、前記コンバータ部に入力する入力電流を制御することにより、前記インバータ部からの出力電流を制御する入出力制御部と、前記燃料電池から前記コンバータ部への出力電流に基づいて、前記燃料電池システムへ供給する燃料の量を制御する燃料供給制御部と、を備える、燃料電池用系統連系システムに関する。

また、前記入出力制御部は、系統電源からの電気量が所定の最低買電量よりも少ないことが検知された場合に、前記コンバータ部に入力する入力電流を低下させると共に、前記インバータ部からの出力電流を低下させることが好ましい。

また、前記入出力制御部は、系統電源からの電気量が所定の最低買電量よりも少ないことが検知された場合に、前記入出力制御部で逆潮流が生ずることを抑制している逆潮流抑制状態である旨の信号を、前記燃料供給制御部に出力することが好ましい。

また、前記燃料供給制御部は、前記入出力制御部から前記逆潮流抑制状態である旨の信号を受信したときに、前記燃料電池から前記コンバータ部への出力電流に基づいて、前記燃料電池システムへ供給する燃料の量を制御することが好ましい。

本発明によれば、パワーコンディショナ及び燃料電池が系統電源から解列される回数を極力減少させ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を示す概略図である。 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の逆潮流抑制制御を示すフローチャートである。

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及び図２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を示す概略図である。

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１１を有する燃料電池システム１０と、出力電流検出部１６と、コンバータ部としてのＤＣ／ＤＣコンバータ２１と、インバータ部としての系統連系インバータ２２と、系統電源電圧・電流検出部２３と、制御部５０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１１と系統電源としての商用電源系統８０（以下、「系統８０」ともいう）とを連系する。

燃料電池１１と、ＤＣ／ＤＣコンバータ２１と、系統連系インバータ２２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２１と系統連系インバータ２２とは、ＤＣバスにより電気的に接続されており、パワーコンディショナ２０を構成する。出力電流検出部１６は、燃料電池１１とＤＣ／ＤＣコンバータ２１との間に電気的に接続されている。系統電源電圧・電流検出部２３は、系統連系インバータ２２と系統８０との間に電気的に接続されている。

また、制御部５０と、ＤＣ／ＤＣコンバータ２１、系統連系インバータ２２、出力電流検出部１６、系統電源電圧・電流検出部２３とは、それぞれ電気的に接続されている。制御部５０は、ＤＣ／ＤＣコンバータ２１、系統連系インバータ２２、出力電流検出部１６、及び、系統電源電圧・電流検出部２３を制御可能である。

図１に示すように、燃料電池１１を有する燃料電池システム１０は、燃料電池１１と、改質器１２と、水貯留部１３と、を備える。また、燃料電池システム１０は、燃料供給ラインＬ１と、第１水供給ラインＬ２と、改質ガス供給ラインＬ３と、を備える。「ライン」とは、流路、経路、及び管路等の総称である。

燃料供給ラインＬ１の一端部は、都市ガス等の燃料Ｇ１を供給可能な燃料供給部１９に接続され、燃料供給ラインＬ１の他端部は、改質器１２に接続されている。燃料供給ラインＬ１の途中には燃料供給ラインＬ１の開閉を行う弁１４が接続されている。弁１４が開くと、燃料Ｇ１は、燃料供給部１９から燃料供給ラインＬ１を流通して、改質器１２へ供給される。

第１水供給ラインＬ２の一端部は、水貯留部１３に接続され、第１水供給ラインＬ２の他端部は、改質器１２に接続されている。第１水供給ラインＬ２の途中には、改質器１２に水Ｗ１を供給するために水貯留部１３からの水Ｗ１を加圧するポンプ１５が接続されている。ポンプ１５の駆動によって、水貯留部１３内の水Ｗ１は、水貯留部１３から第１水供給ラインＬ２を流通して、改質器１２へ供給される。

改質ガス供給ラインＬ３の一端部は、改質器１２に接続され、改質ガス供給ラインＬ３の他端部は、燃料電池１１に接続される。改質器１２において生成される水素を含む改質ガスＧ２は、改質ガス供給ラインＬ３を通じて燃料電池１１に供給され、発電に用いられる。

燃料供給部１９は、都市ガス等の燃料Ｇ１を貯留する。弁１４は、燃料供給ラインＬ１の開閉を行う。ポンプ１５は、水貯留部１３からの水Ｗ１を加圧する。

燃料電池１１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１１においては、改質ガス中の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１１によって発電された直流電圧は、ＤＣ／ＤＣコンバータ２１に出力される。

ＤＣ／ＤＣコンバータ２１は、燃料電池１１から出力される９０Ｖ〜１６０Ｖ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２２において系統８０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。

従って、ＤＣ／ＤＣコンバータ２１は、燃料電池１１から出力される直流電圧が、最低入力許容電圧値よりも大きいときに、燃料電池１１から出力される直流電圧を所定の直流電圧に変換する。逆に、ＤＣ／ＤＣコンバータ２１は、燃料電池１１から出力される直流電圧が、最低入力許容電圧値よりも小さいときには、直流電圧を昇圧する変換を停止する。最低入力許容電圧値とは、例えば、８０Ｖである。一方、入出力制御部５１によるＤＣ／ＤＣコンバータ２１への制御により、ＤＣ／ＤＣコンバータ２１は、ＤＣ／ＤＣコンバータ２１への入力電流の値を制御可能である。

系統連系インバータ２２は、ＤＣ／ＤＣコンバータ２１で昇圧されＤＣ／ＤＣコンバータ２１から出力される直流電圧を、系統８０に供給可能とするために、系統８０と同期の取れた所定の交流電圧（例えば、ＡＣ２００Ｖ）に変換して系統８０に供給する。系統連系インバータ２２が交流電圧を系統８０に供給するため、系統連系インバータ２２から出力される交流電圧の値は、固定値である。また、ＤＣ／ＤＣコンバータ２１への入力電流の値を制御する、入出力制御部５１によるＤＣ／ＤＣコンバータ２１への制御により、系統連系インバータ２２から出力される電流の値は制御される。

出力電流検出部１６は、電流センサを有している。出力電流検出部１６の電流センサは、燃料電池１１から出力されてＤＣ／ＤＣコンバータ２１に入力される直流電流値を、検出する。検出した直流電流値は、制御部５０に出力され、制御部５０において、１秒間隔で検知される。

系統電源電圧・電流検出部２３は、電流センサ及び電圧センサを有している。系統電源電圧・電流検出部２３の電流センサは、系統電源電流を検出する。系統電源電圧・電流検出部２３の電圧センサは、系統電源電圧を検出する。検出した系統電源電流及び系統電源電圧は、制御部５０に出力され、制御部５０において、１秒間隔で検知され、系統８０からの買電量を算出する。

制御部５０は、シーケンサーにより構成されており、燃料電池１１について起動から発電までの一連の動作を制御する。また、制御部５０は、入出力制御部５１と燃料供給制御部５２とを有している。入出力制御部５１は、パワーコンディショナ２０に対して制御を行う。具体的には、入出力制御部５１は、系統電源電流及び系統電源電圧に基づいて、ＤＣ／ＤＣコンバータ２１に入力する入力電流を制御することにより、系統連系インバータ２２からの出力電流を制御する。また、燃料供給制御部５２は、燃料電池１１からＤＣ／ＤＣコンバータ２１への出力電流に基づいて、弁１４に対して制御を行い、燃料電池システム１０へ供給する燃料Ｇ１の量、より具体的には、改質器１２に供給する燃料Ｇ１の量を制御する。そして、制御部５０においては、入出力制御部５１及び燃料供給制御部５２の制御により、逆潮流が生ずる恐れを抑制して解列の発生を抑制する逆潮流抑制制御を行う。

次に、上記構成の燃料電池システム１０の制御部５０による逆潮流抑制制御について、図２を参照して説明する。図２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の逆潮流抑制制御を示すフローチャートである。

図２に示すように、逆潮流抑制制御においては、先ず制御部５０の処理は、ステップＳ１１に進み、制御部５０は、系統電源電圧・電流検出部２３によって検出された系統電源電圧と、系統電源電流との両方から、現在の買電量を算出する。そして、制御部５０は、算出した買電量と、予め設定された最低買電量とを比較し、算出した買電量が予め設定された最低買電量を下回ったか否かの判断を行う。ステップＳ１１において、算出した買電量が予め設定された最低買電量を下回った、即ち、系統８０からの電気量が所定の最低買電量よりも少ないと、制御部５０が判断した場合（ＹＥＳ）には、制御部５０の処理は、ステップＳ１２に進む。算出した買電量が予め設定された最低買電量を下回ったと判断されない場合（ＮＯ）には、制御部５０の処理は、ステップＳ１１へ戻る。

ステップＳ１２において、制御部５０は、現在、入出力制御部５１で逆潮流が生ずることを抑制している逆潮流抑制状態である旨の信号を出力する（逆潮流抑制状態である旨のフラグを立てる）。そして制御部５０の処理は、ステップＳ１３に進む。次に、ステップＳ１３において、制御部５０の入出力制御部５１は、パワーコンディショナ２０の出力電流、即ち、系統連系インバータ２２からの出力電流を抑制する。具体的には、入出力制御部５１は、パワーコンディショナ２０への入力電流、即ち、ＤＣ／ＤＣコンバータ２１への入力電流を低下させる制御を、ＤＣ／ＤＣコンバータ２１に対して行う。これにより、系統連系インバータ２２からの出力電流を低下させる。する。そして、制御部５０の処理は、ステップＳ１４に進む。

ステップＳ１４において、制御部５０の燃料供給制御部５２は、逆潮流抑制状態である旨の信号を受信し、逆潮流抑制状態である旨のフラグが立っていることを燃料電池１１側で検知する。そして、制御部５０の処理は、ステップＳ１５に進む。次に、ステップＳ１５において、出力電流検出部１６は、燃料電池１１からパワーコンディショナ２０のＤＣ／ＤＣコンバータ２１への出力電流を検出する。そして、制御部５０の処理は、ステップＳ１６に進む。

ステップＳ１６において、制御部５０の燃料供給制御部５２は、出力電流検出部１６において検出した出力電流に基づいて、燃料電池システム１０へ供給する燃料Ｇ１の量を制御する。具体的には、制御部５０の燃料供給制御部５２は、出力電流検出部１６において検出した出力電流に基づいて、検出した出力電流に相当する量の燃料Ｇ１を、燃料供給部１９から改質器１２へ供給するように、弁１４に対して制御を行う。以上の工程により、系統８０からの買電量が少なくなった場合に、系統８０からの買電量に基づいて、燃料電池１１に供給される燃料（改質ガスＧ２）の量を減少させて、パワーコンディショナ２０及び燃料電池１１が系統電源８０から解列されることを抑制する。

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、燃料電池１１を有する燃料電池システム１０と、燃料電池１１から出力された直流電圧を昇圧するコンバータ部としてのＤＣ／ＤＣコンバータ２１と、ＤＣ／ＤＣコンバータ２１で昇圧された直流電圧を、系統電源８０と同期の取れた交流電圧に変換するインバータ部としての系統連系インバータ２２と、を有するパワーコンディショナ２０と、系統電源８０からの電流及び電圧に基づいて、ＤＣ／ＤＣコンバータ２１に入力する入力電流を制御することにより、系統連系インバータ２２からの出力電流を制御する入出力制御部５１と、燃料電池１１からＤＣ／ＤＣコンバータ２１への出力電流に基づいて、燃料電池システム１０へ供給する燃料Ｇ１の量を制御する燃料供給制御部５２と、を備える。

このため、系統電源８０からの電流及び電圧に基づいて得られる系統電源８０からの買電量が減少し、逆潮流が起こりそうになった場合には、先ず最初に、ＤＣ／ＤＣコンバータ２１に入力する入力電流を抑制して減少させる。これにより、系統連系インバータ２２からの出力電流を短時間で抑制して減少させる。これに基づき、燃料供給部１９から改質器１２へ供給される燃料Ｇ１の量を減少させて、逆潮流が生ずることを短時間で抑えることができる。この結果、パワーコンディショナ２０及び燃料電池１１が、系統電源８０から解列されることを、抑制することができ、解列される回数を減少させることができる。

また、入出力制御部５１は、系統電源８０からの電気量が所定の最低買電量よりも少ないことが検知された場合に、コンバータ部としてのＤＣ／ＤＣコンバータ２１に入力する入力電流を低下させると共に、インバータ部としての系統連系インバータ２２からの出力電流を低下させる。

このため、燃料電池１１から出力されＤＣ／ＤＣコンバータ２１に入力する入力電流を検出し、検出した入力電流に適した量の燃料Ｇ１を燃料供給部１９から改質器１２へ供給すればよいため、逆潮流抑制制御において、過剰に改質器１２へ燃料Ｇ１を供給して燃料電池１１へ改質ガスＧ２を過剰に供給することを抑えることができる。

また、入出力制御部５１は、系統電源８０からの電気量が所定の最低買電量よりも少ないことが検知された場合に、入出力制御部５１で逆潮流が生ずることを抑制している逆潮流抑制状態である旨の信号を、燃料供給制御部５２に出力する。このため、逆潮流抑制状態であることを、燃料供給制御部５２において、容易に検出することができ、燃料電池システム１０への燃料Ｇ１の供給量の制御を容易とすることきができる。

また、燃料供給制御部５２は、入出力制御部５１から逆潮流抑制状態である旨の信号を受信したときに、燃料電池１１からコンバータ部としてのＤＣ／ＤＣコンバータ２１への出力電流に基づいて、燃料電池システム１０へ供給する燃料Ｇ１の量を制御する。このため、逆潮流抑制制御において、過剰に改質器１２へ燃料Ｇ１を供給して燃料電池１１へ改質ガスＧ２を過剰に供給することを抑えることができる。

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、制御部は、燃料電池システム用と、パワーコンディショナ用とに別個独立して２つ設けられてもよい。

また、燃料電池１１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。

１ 燃料電池用系統連系システム
１０ 燃料電池システム
１１ 燃料電池
２０ パワーコンディショナ
２１ ＤＣ／ＤＣコンバータ（コンバータ部）
２２ 系統連系インバータ（インバータ部）
５１ 入出力制御部
５２ 燃料供給制御部
８０ 系統（系統電源）

Claims (4)

1. 燃料電池を有する燃料電池システムと、
   前記燃料電池から出力された直流電圧を昇圧するコンバータ部と、前記コンバータ部で昇圧された直流電圧を、系統電源と同期の取れた交流電圧に変換するインバータ部と、を有するパワーコンディショナと、
   系統電源からの電流及び電圧に基づいて、前記コンバータ部に入力する入力電流を制御することにより、前記インバータ部からの出力電流を制御する入出力制御部と、
   前記燃料電池から前記コンバータ部への出力電流に基づいて、前記燃料電池システムへ供給する燃料の量を制御する燃料供給制御部と、を備える、燃料電池用系統連系システム。
2. 前記入出力制御部は、系統電源からの電気量が所定の最低買電量よりも少ないことが検知された場合に、前記コンバータ部に入力する入力電流を低下させると共に、前記インバータ部からの出力電流を低下させる請求項１に記載の燃料電池用系統連系システム。
3. 前記入出力制御部は、系統電源からの電気量が所定の最低買電量よりも少ないことが検知された場合に、前記入出力制御部で逆潮流が生ずることを抑制している逆潮流抑制状態である旨の信号を、前記燃料供給制御部に出力する請求項２に記載の燃料電池用系統連系システム。
4. 前記燃料供給制御部は、前記入出力制御部から前記逆潮流抑制状態である旨の信号を受信したときに、前記燃料電池から前記コンバータ部への出力電流に基づいて、前記燃料電池システムへ供給する燃料の量を制御する請求項３に記載の燃料電池用系統連系システム。

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