JP4059458B2

JP4059458B2 - 直流出力燃料電池発電装置

Info

Publication number: JP4059458B2
Application number: JP20196898A
Authority: JP
Inventors: 誠長沢
Original assignee: Fuji Electric Holdings Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 1998-07-16
Filing date: 1998-07-16
Publication date: 2008-03-12
Anticipated expiration: 2018-07-16
Also published as: JP2000036312A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、燃料電池の出力をコンバータ等の直流変換装置を介して電解槽等の直流電源と並列運転を行なう、直流出力燃料電池発電装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池，蓄電池等の直流電源を電解槽等の別の直流電源と並列運転するものとして、例えば特開平２−１２５３１２号公報（従来例）に示すものが知られている。
このようなシステムでは、燃料電池出力を並列する相手の電圧に合わせるための電圧調整を要することから、上記従来例ではコンバータ等の電力変換器の出力電圧に対し垂下特性を持たせて対処している。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来例の直流負荷設備は、簡単な設備点検を通常設備の連続運転中に行なうために、負荷の一部を短絡する作業を日常的に実施する。通常は、主電源である電解槽電源（整流器電源）に対して並設される燃料電池発電装置の容量が非常に小さいので、この短絡時の電圧変動に対して、上記並列運転用のコンバータが過電流を発生したり、または、電圧調整範囲外の出力不足電圧になったりして、コンバータが保護停止することで燃料電池も非常停止せねばならないが、燃料電池は再起動時間が長いため、設備利用効率の悪化を招くという問題が発生する。
【０００４】
また、別の問題として、商用電源系統に瞬時停電（瞬停）が発生した場合は、電解槽電源である整流器電源は一旦停止して商用系統復帰後に再起動を行ない、電解のための電力供給を再開できるが、従来の直流出力燃料電池は停電により補機動力がなくなると、消防法上の制約からシステムを停止して、直ちに窒素パージをしなければならず、系統復電後も再起動にかなりの時間を要し、この点でも設備運用効率が悪い。
さらには、直流出力を行なうためのコンバータ設備の電圧調整部に垂下特性を持たせると、常時の電圧変動が燃料電池の出力電力の常時変動となって発生することから、燃料電池がガス欠状態になりやすい、という問題もある。
したがって、この発明の課題は、燃料電池をできるだけ停止させずに運転を継続できるようにし、運転効率を低下させないようにすることにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
このような課題を解決すべく、この発明では、燃料電池の直流出力を直流変換するコンバータを、整流器電源を含む直流電源と並列運転する直流出力燃料電池発電装置において、
前記コンバータの出力電力を検出してコンバータ電力信号を発生するコンバータ電力検出部と、このコンバータ電力信号をフィードバック信号としてコンバータ出力を一定にするための制御を行なうべくコンバータ主回路のゲート信号を発生する電力制御部と、コンバータ出力端の電圧と電流を検出して出力過電流と出力過負荷と出力不足電圧と出力過電圧の保護検出をしたときに保護検出信号を発生するコンバータ保護検出部と、燃料電池が開放電圧になることを防止するためのダミーヒータ部と、燃料電池の補機に必要な電力を停電時に燃料電池から取り出すためのインバータ部と、商用系統停電時に停電発生を検出して停電検出信号を発する停電検出部と、商用系統停電時に燃料電池補機電力を商用側からインバータ部に切り換えるための補機電源切換スイッチ部とを設け、
前記保護検出信号をコンバータを停止させるためのゲートブロック信号とし、前記停電検出信号を前記補機電源切換スイッチ部の切換信号およびインバータ部の起動信号とし、かつ、保護検出信号と停電検出信号との論理和信号を前記ダミーヒータ部投入のための信号として用いるようにしている。
【０００６】
【発明の実施の形態】
図１はこの発明の実施の形態を示す構成図で、これは燃料電池を、電解槽電源としてのダイオード整流器電源と並列運転する場合の例を示す。
図１において、符号３は負荷となる電解槽ユニットで、通常は数個ないしは１０個程度の電解セルから構成される。符号４は、運転中に電解槽３のメンテナンスをするためのスイッチである。３ｈは電解槽３から電解副生する燃料電池の燃料になる水素ガスの供給ラインで、副生水素はバッファタンク８により一旦蓄えられて燃料電池に供給される。また、９は空気で、発電中の燃料電池に常時供給されている。
符号１０は電解槽３に電解電力を供給するための整流器電源部で、主に電圧調整器１１とダイオード整流器スタック１２とからなり、整流器電流検出回路（ＣＴ）１４により計測される電流計測信号１４ａを、フィードバック信号とする位相調節回路１３により位相調節信号４１ｉに一致させるよう調節する。なお、整流器電源部１０は、図示されない断路器，遮断器等を介して電力系統と接続されている。
【０００７】
燃料電池発電システムは燃料電池発電装置部２０とコンバータ部３０とに分かれており、燃料電池発電装置部２０は副生水素３ｈと空気９により直流電力を発生する燃料電池セルスタック２１と、燃料電池の冷却ポンプ等の補機２２と、商用系停電時に補機動力を供給するための補機電源インバータ２３と、コンバータ部３０が停止した時に燃料電池セルスタック２１が開放電圧になることを防止するためのダミーヒータ２５と、常時は商用系統側に投入されており、商用系停電時に補機電源切換信号７ｓｗで補機電源インバータ２３側に切り換えられる補機電源切換スイッチ２６とを主な構成要素としており、常時は商用電力系統から変圧器により降圧された電力を遮断器（常時閉）を経て受電し、補機２２の動力としている。商用電力系統の停電は停電検出回路７にて電圧が所定値以下になった時に検出され、停電検出回路７は停電時に切換信号７ｓｗを出力する。
【０００８】
燃料電池部の直流出力を、整流器電源部１０の出力と並列運転するためのコンバータ部３０は、例えばＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）等のスイッチ素子で構成されるコンバータ主回路３１と、コンバータ主回路出力の電圧と電流を計測して電力信号３３ｐを出力する電力検出部３３と、電力信号３３ｐをフィードバック信号として目標となる設定値信号３２ｏになるよう、コンバータ主回路出力を一定にするためのゲート信号ｇを発生し、電力一定（ＡＰＲ）制御を行なう電力制御回路３２と、コンバータ出力電圧，電流を入力され、これを所定の保護設定値と比較し、出力過電流と出力過負荷と出力不足電圧と出力過電圧の保護検出を行なう保護検出回路３５とを主な構成要素としている。
【０００９】
通常時の動作は、電解槽３への電解電力の大半は、整流器電源回路１０によって賄われ、燃料電池発電装置部２０の直流出力は、コンバータ部３０の電力制御部３２の一定電力制御により一定出力となり、整流器電源回路１０に並列運転して電解槽３に電力を補給している。電解槽３は電解を実施しながら、燃料電池の発電燃料の副生水素３ｈを生成し続ける。
電解槽の運用計画に従った電解槽供給電流は整流器電流設定部４０により、コンバータ部３０の出力電流を検出する電流検出器３４の電流信号３４ａと、運用目標電流設定値４２ａとの差（４２ａ−３４ａ）を調整幅として、フィードバック回路等で構成される整流器電流調節器４１で電圧調整器１１の目標信号４１ｉを生成して調節運転している。
【００１０】
ここで、電解槽のメンテナンスが必要になると、一般的にメンテナンスを行なう電解槽３の短絡スイッチ４を短絡して、電解槽３の電解液を抜き取る。短絡スイッチ４を短絡すると、整流器電源部１０よりもコンバータ部３０の動作速度が早いことから（一般的に容量の大きな整流器電源は動作速度が遅いため）、電解槽３の電圧降下によりコンバータ部３０は電力制御部３２の出力一定制御のために、コンバータ主回路３１の出力電流は瞬時に増加する。通常、このときに出力電流が保護検出回路３５の過電流保護設定値か出力過負荷保護設定値よりも大きくなり（制御回路のオーバシュート等で）、保護検出回路３５は保護検出信号３５ｇｂを出力する。保護検出信号３５ｇｂは電力制御部３２に入力され、ゲートブロック信号として機能するように構成されているので、コンバータ主回路３１は停止する。
【００１１】
また、保護検出信号３５ｇｂはＯＲロジック（論理和）回路５０に入力され、ＯＲロジック回路５０はダミーヒータ２５の投入スイッチ２７の投入信号である信号５０ｏｎを出力する。燃料電池セルスタック２１の余剰電力はダミーヒータ２５で消費され、燃料電池発電装置部２０はコンバータ部３０が停止しても運転を継続できる。燃料電池の直流出力が減少した分は、整流器電流設定部４０の差電流検出器４２により補償されて、整流器電源部１０の出力電流が増加することで、電解槽３も必要な電流を供給されて運転を継続することになる。この後に、燃料電池発電装置部２０とコンバータ部３０を元の状態で運転したければ、コンバータ部３０の保護検出回路３５にリセット信号ｒｓを投入することで、保護検出回路３５はリセットされ、保護検出信号３５ｇｂもリセットし電力制御部３２のゲートブロック信号もリセットするので、コンバータ主回路３１と電力制御部３２は再起動し、かつ保護検出信号３５ｇｂも無くなることでＯＲロジック回路５０の出力はＯＦＦ（オフ）となり、ダミーヒータ２５は燃料電池セルスタック２１から開放されて、元の状態に戻る。保護検出回路３５が不足電圧保護検出と過電圧検出を行なった場合についての説明は省略するが、上記と同様の方法で燃料電池発電装置部２０は運転を継続することができる。
【００１２】
次に、商用系統停電が発生すると、停電検出回路７は切換信号７ｓｗを出すので、補機電源切換スイッチ２６は常時の商用系統側から補機電源インバータ２３側に切り換わり、また、切換信号７ｓｗは補機電源インバータ２３の起動指令でもあるのでインバータ２３が起動され、燃料電池内の補機２２の動力は燃料電池自身で賄われるので、商用系統停電時にも運転を継続することができる。また、この商用系統の停電で電解槽３の整流器電源部１０が停止した場合には、コンバータ部３０の保護検出回路３５が上記のように保護検出するため、コンバータ主回路３１と電力制御部３２は停止し、保護検出信号３５ｇｂにより燃料電池発電装置部２０のダミーヒータ投入スイッチ２７を投入してダミーヒータ２５を投入し、これにより燃料電池発電装置部２０は独立した状態で運転を継続できる。
【００１３】
その後、商用系統の停電が復帰した後には、停電検出回路７より出力していた切換信号７ｓｗがＯＦＦになるので、補機電源切換スイッチ２６は商用系統側に切り換わり、補機電源インバータ２３も停止する。同様に、整流器電源部１０が復電して、かつコンバータ部３０のリセット信号ｒｓがＯＮされると、コンバータ部３０は再起動して、システム全体が元の定常運転状態に戻ることになる。
なお、定常運転中に電解槽３の短絡スイッチ４を全部短絡すると、コンバータ部３０は電力制御部３２により出力一定制御を行なっており、瞬時の出力電流が非常に大きくなるので、瞬間的にコンバータ主回路３１へのゲート信号ｇが開放状態となり、コンバータ主回路３１が全導通となって破損する可能性があるため、図示はしていないが、コンバータ部３０の電力制御部３２が出力するゲート信号ｇには上限リミットを掛けるのが一般的である。
【００１４】
【発明の効果】
この発明によれば、コンバータ等の電力変換器に外乱で保護が発生した場合や商用系統停電時にも燃料電池を継続運転することができ、かつ、常時の運転でも負荷側の変動による出力側の電圧変動があっても、燃料電池を停止することなく一定出力で運転を継続することができるという利点が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態を示す回路図である。
【符号の説明】
３…電解槽、４…短絡スイッチ、７…停電検出回路、８…副生水素バッファタンク、９…空気および空気供給ライン、１０…整流器電源部、１１…電圧調整器、１２…ダイオード整流器スタック、１３…位相調節回路、１４…整流器電流検出回路（ＣＴ）、２０…燃料電池発電装置部、２１…燃料電池セルスタック、２２…補機、２３…補機電源インバータ、２５…ダミーヒータ、２６…補機電源切換スイッチ、２７…ダミーヒータ投入スイッチ、３０…コンバータ部、３１…コンバータ主回路、３２…電力制御回路、３３…コンバータ出力電力検出部、３４…電流検出器、３５…コンバータ保護検出回路、４０…整流器電流設定部、４１…整流器電流調節器、４２…差電圧検出部、５０…ＯＲロジック回路。

Claims

燃料電池の直流出力を直流変換するコンバータを、整流器電源を含む直流電源と並列運転する直流出力燃料電池発電装置において、
前記コンバータの出力電力を検出してコンバータ電力信号を発生するコンバータ電力検出部と、このコンバータ電力信号をフィードバック信号としてコンバータ出力を一定にするための制御を行なうべくコンバータ主回路のゲート信号を発生する電力制御部と、コンバータ出力端の電圧と電流を検出して出力過電流と出力過負荷と出力不足電圧と出力過電圧の保護検出をしたときに保護検出信号を発生するコンバータ保護検出部と、燃料電池が開放電圧になることを防止するためのダミーヒータ部と、燃料電池の補機に必要な電力を停電時に燃料電池から取り出すためのインバータ部と、商用系統停電時に停電発生を検出して停電検出信号を発する停電検出部と、商用系統停電時に燃料電池補機電力を商用側からインバータ部に切り換えるための補機電源切換スイッチ部とを設け、
前記保護検出信号をコンバータを停止させるためのゲートブロック信号とし、前記停電検出信号を前記補機電源切換スイッチ部の切換信号およびインバータ部の起動信号とし、かつ、保護検出信号と停電検出信号との論理和信号を前記ダミーヒータ部投入のための信号として用いることを特徴とする直流出力燃料電池発電装置。