JP4116229B2

JP4116229B2 - 電源システム

Info

Publication number: JP4116229B2
Application number: JP2000143630A
Authority: JP
Inventors: 俊之伊藤; 直明石川; 正憲九鬼; 尚樹蟹江; 正徳矢吹
Original assignee: Toshiba Corp; Osaka Gas Co Ltd; Tokyo Gas Co Ltd
Current assignee: Toshiba Corp; Osaka Gas Co Ltd; Tokyo Gas Co Ltd
Priority date: 2000-05-16
Filing date: 2000-05-16
Publication date: 2008-07-09
Anticipated expiration: 2020-05-16
Also published as: JP2001327100A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電を行なう燃料電池発電システムを用いた電源システムに係り、特に単独負荷の変動時にも、燃料電池発電システムの設備利用率１００％を実現しながら、電圧・周波数の揃った高品質かつ無停電な電力を単独負荷へ供給できるようにした電源システムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、燃料電池発電システムは、電解質として例えばリン酸を用い、天然ガス等の原燃料を改質して得られる燃料ガスと、空気中の酸素等の酸化剤ガスとを電気化学的に反応させて直接発電を行なうものであり、高い発電効率を得ることができるものである。
【０００３】
しかも、この燃料電池発電システムは、大気汚染物質の排出が少なく、騒音も小さいという、環境性に極めて優れた発電システムとして評価されてきている。
【０００４】
そして、従来から、燃料電池発電システムは、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電を行なう複数台の単電池を接続してなり直流電力を出力する燃料電池発電システム本体（以下、燃料電池本体と称する）と、この燃料電池本体からの直流電力を交流電力に変換する逆変換装置とから構成されており、その交流発電出力は、逆変換装置から発生する交流電力であるため、電圧・周波数の揃った高品質な電力を供給することができるものである。
【０００５】
従って、昨今では、高効率で環境性に優れた燃料電池発電システムを用いた電源システムを、従来の無停電電源システム（一般に、ＣＶＣＦ装置、もしくはＵＰＳ装置と称している）の代替手段として使用する試みが行なわれてきている。
【０００６】
図２は、この種の無停電電源システムの代替として使用することを目的とした、従来の燃料電池発電システムを用いた電源システム（例えば特許文献１参照）の一例を示す概略構成図である。
【０００７】
本電源装置は、常時は交流系統連系運転で、高効率で優れた環境性を最大限に発揮するために設備利用率１００％を満足しながら、系統停電時においても単独負荷に電力を供給することを目的としたものである。
【０００８】
すなわち、図２に示すように、燃料電池本体１は、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電を行なう複数台の単電池を直列に接続してなり、直流電力を出力する。
【０００９】
この燃料電池本体１から発生する直流電力は、逆変換装置２にて交流電力に変換され、スイッチ３を経て単独負荷４に、さらにスイッチ５を経て交流系統６にそれぞれ接続される。
【００１０】
このように構成された燃料電池発電システムを用いた電源システムにおいては、スイッチ３、およびスイッチ５の両方を閉とすることで、燃料電池発電システムは、単独負荷４に電力を供給しつつ、交流系統６との連系運転を行なう。
【００１１】
また、この状態で、交流系統６に異常が発生すると、スイッチ５を開として、燃料電池本体１の単独運転に移行し、また燃料電池本体１が故障等で発電不能となった場合には、逆にスイッチ３を開として、燃料電池本体１を切り離し、交流系統６から単独負荷４へ電力を連続的に供給する。
【００１２】
図３は、無停電電源システムの代替として使用することを目的とした、従来の燃料電池発電システムを用いた電源システムの他の例を示す概略構成図であり、図２と同一部分には同一符号を付してその説明を省略し、ここでは異なる部分についてのみ述べる。
【００１３】
本電源システムは、例えばコンピュータや医療用機器等のように、商用系統である交流系統からの擾乱も許容しない機器の電源として、始めから燃料電池本体を交流系統とは切り離して、電圧・周波数の安定した単独運転を行なうことを目的としたものである。
【００１４】
すなわち、図３に示すように、図２におけるスイッチ３、およびスイッチ５を省略し、これに代えて、半導体を用いた切替スイッチ７を用いて、常時は燃料電池本体１側に接続されて単独運転を実施し、燃料電池本体１の故障時等の異常時にのみ、切替スイッチ７により交流系統６側に切替えて、交流系統６から単独負荷４に電力を供給するものである。
また、複数の直流発電システムを用いることにより、負荷への電力供給を安定させることを目的とした電力システムも考案されている（例えば特許文献２参照）。
【特許文献１】
特開平７−３３６８９４号公報
【特許文献２】
特開平６−２７４２３３号公報
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、以上のように構成された燃料電池発電システムを用いた電源システムにおいては、次のような問題点がある。
【００１６】
すなわち、図２に示すような電源装置の場合には、燃料電池本体１の設備利用率１００％を実現することができ、燃料電池発電システム本来の高効率と優れた環境性を最大限に発揮することができるものの、交流系統６との連系運転が基本であるため、交流系統６からの擾乱を受ける可能性があり、既存のＣＶＣＦ装置と同等の電源品質を得ることはできない。
【００１７】
また、図３に示すような電源装置の場合には、燃料電池本体１の単独運転が基本であるため、電源品質は既存のＣＶＣＦ装置と同等のものを得ることができるが、常時、単独負荷４の変動に伴なった部分負荷運転しか行なうことができず、燃料電池発電システム本来の特徴である高効率と優れた環境性を最大限に発揮することができない。
【００１８】
本発明の目的は、単独負荷の変動時にも、燃料電池発電システムの設備利用率１００％を実現しながら、電圧・周波数の揃った高品質かつ無停電な電力を単独負荷へ供給することが可能な電源システムを提供することにある。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達するために、本発明では、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電を行なう複数台の単電池を接続してなり直流電力を出力し、設備利用率１００％で運転する燃料電池を有し、直流母線に接続された燃料電池発電システムと、前記直流母線に接続され、直流電力を交流電力に変換して単独負荷へ供給する複数台の逆変換装置と、前記直流母線に接続され、前記直流母線から供給される直流電力のうち前記複数台の逆変換装置に供給される直流電力の余剰の直流電力を交流電力に変換して、商用系統である交流系統に供給する連系運転機能を有し、前記燃料電池発電システムの総発電電力量の直流電力を交流電力に変換する容量を持つ系統連系用逆変換装置とを備えた電源システムである。
【００３１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
【００３２】
図１は、本実施の形態による燃料電池発電システムを用いた電源システムの一例を示す概略構成図である。
【００３３】
図１において、複数台の単電池を直列にまたは直列かつ並列に接続してなり直流電力を出力する燃料電池本体１１と、直流電力を出力する太陽電池１２、充電可能なバッテリ１３等の直流電力供給設備とを、それぞれ直流母線１４に接続して直流発電システムを構成している。
【００３４】
一方、直流母線１４には、直流電力を交流電力に変換して図示しない単独負荷へ高品質な電力を供給する自立運転専用の複数台の逆変換装置１５を接続している。
【００３５】
また、直流母線１４には、図示しない単独負荷への電力供給を優先しつつ余剰の電力を商用系統である交流系統１６へ供給するように、当該交流系統１６との連系運転機能を有する系統連系用順／逆変換装置１７を接続している。
【００３６】
すなわち、系統連系用順／逆変換装置１７は、通常時、すなわち燃料電池本体１１を中核とした直流発電システム全体の直流出力（総発電電力量）が、直接接続される単独負荷の容量を上回っている場合には、余剰の交流電力を交流系統１６へ供給し、逆に直流発電システム全体の直流出力（総発電電力量）が、直接接続される単独負荷の容量を下回っている場合には、順変換装置として機能し、交流系統１６からの交流電力を直流電力に変換し、直流発電システムの直流出力（総発電電力量）に加えて単独負荷へ供給するようになっている。
【００３７】
さらに、直流母線１４には、直流電力を一定の直流電圧・電流となるように変換して図示しない単独直流負荷へ供給する少なくとも１台の直流／直流変換器１８を接続している。
【００３８】
さらにまた、各逆変換装置１５の出力側には、当該各逆変換装置１５からの交流電力と、交流系統１６からの交流電力とをそれぞれ各別に入力し、これらの切替えを行なう切替スイッチ１９を設けている。
【００３９】
すなわち、切替スイッチ１９は、通常時は、逆変換装置１５からの交流電力を、また逆変換装置１５の故障等の異常時には、交流系統１６からの交流電力をバックアップのために単独負荷へ供給するように高速に切替えを行なうようになっている。
【００４０】
次に、以上のように構成した本実施の形態の電源システムの作用について説明する。
【００４１】
図１において、燃料電池本体１１と、太陽電池１２と、バッテリ１３は、それぞれ直流母線１４に直流電力を出力する。
【００４２】
すなわち、燃料電池本体１１を中核とした直流発電システム全体は、高効率・環境性等、その特徴を最大限発揮できるように、可能な範囲で常時再大出力運転を実施している。
【００４３】
一方、各逆変換装置１５は、交流系統１６からは完全に独立して自立運転を行ない、電圧・周波数の整った高品質な交流電力を、コンピュータ、医療機器等の単独負荷（重要負荷）へ供給する。
【００４４】
また、電圧・電流が一定の直流電力を必要とする直流単独負荷に対しては、直流／直流変換器１８によって高品質な直流電力を供給する。
【００４５】
しかし、これらの単独負荷は、常に一定とは限らず、時々刻々変化していくため、上記直流発電システム全体の総発電電力量が余剰となったり、また場合によっては不足する可能性がある。
【００４６】
そのため、この電力の余剰／不足については、交流系統１６に連系している系統連系用順／逆変換装置１７により連続的に調整して、発電出力（発電電力）を最大かつ一定に維持する。
【００４７】
なお、この系統連系用順／逆変換装置１７は、その容量を、接続する単独負荷の容量以上としておくことにより、燃料電池本体１１を始めとする直流発電システム側に異常があった場合でも、必要な高品質な電力の供給を継続することができる。
【００４８】
すなわち、系統連系用順／逆変換装置１７は、この高品質な電源装置をさらに無停電電源装置化する役目も担っている。
【００４９】
しかし、高品質な電力の供給を目的とした逆変換装置１５が故障した場合には、単独負荷に対する無停電化は達成されなくなる。
【００５０】
そのため、このような場合には、逆変換装置１５の出力側に設けられた切替スイッチ１９を用いて、交流系統１６からの交流電力をバックアップとして単独負荷へ供給する。
【００５１】
上述したように、本実施の形態の電源システムでは、以下のような種々の効果を得ることができる。
【００５２】
（ａ）逆変換装置１５が、交流系統１６と連系することなく単独負荷運転を行なっているため、特定の単独負荷に対して高品質な電力を供給することが可能となる。また、系統連系用順／逆変換装置１７は、交流系統１６と連系運転を行なうことにより、単独負荷の変動分を交流系統１６への電力供給として吸収し、常時高品質な電力供給運転を優先しながら、燃料電池発電システムとしては設備利用率１００％を実現することが可能となる。さらに、この系統連系用順／逆変換装置１７の容量が、トータルとして燃料電池本体１１の直流出力の１００％を変換可能であれば、単独負荷が無負荷になった場合にも、連続１００％運転を行なうことが可能となる。
【００５３】
すなわち、交流系統１６からは完全に独立した、電圧・周波数の整った高品質な交流電力および高品質な直流電力を、コンピュータや医療機器等の単独負荷へ供給することができる一方、燃料電池発電システムが本来持っている、高効率・省エネルギー性や優れた環境性を最大限に発揮すべく、その時点での可能な限りの再大出力運転を行なうことが可能となる。
【００５４】
（ｂ）時々刻々変化する燃料電池発電システムの直流出力を、直流／直流変換器１８によって一定の直流電圧・電流となるような高品質の直流電力として、単独直流負荷へ供給することが可能となる。
【００５５】
（ｃ）系統連系用順／逆変換装置１７を設けることにより、燃料電池本体１１の故障や点検時等で、燃料電池本体１１の直流出力が単独負荷の容量よりも少なくなった場合にも、交流系統１６から逆に電力の供給を受け、高品質電力の単独負荷への供給をさらに無停電化することが可能となる。
【００５６】
（ｄ）太陽電池１２やバッテリー１３等の直流電力供給設備と燃料電池本体１１とを直流で連系して、無停電直流母線を形成することができるため、高品質電力の単独負荷への供給をさらにより一層無停電化することが可能となる。
【００５７】
（ｅ）高品質な電力を供給する単独負荷用の逆変換装置１５からの交流電力と、交流系統１６からの交流電力とを切替スイッチ１９で高速に切替えることにより、逆変換装置１５の故障等の異常時には、交流系統１６からの交流電力による電力供給でバックアップすることができるため、単独負荷用の逆変換装置１５の故障等の異常に対しても電力供給を行なって、完全な無停電電源を実現することが可能となる。
【００５８】
すなわち、直流母線１４および高品質交流電力供給ラインは、発電出力と交流系統１６の２重系となって、無停電化を達成することが可能となる。
【００５９】
以上により、燃料電池発電システムを可能な限り最大出力で運転して、高品質かつ無停電な電力を単独負荷へ供給することができる、極めて優れた燃料電池発電システムを得ることができる。
【００６０】
（他の実施の形態）
（ａ）前記実施の形態では、直流電力を出力する直流電力供給設備として、太陽電池１２、バッテリー１３を備える場合について説明したが、これに限らず、直流電力を出力する直流電力供給設備として、その他の手段を備えるようにしてもよい。
【００６１】
（ｂ）前記実施の形態では、交流系統１６との連系運転を行なうための手段として、系統連系用順／逆変換装置１７を備え、燃料電池本体１１を中核とした直流発電システム全体の直流出力（総発電電力量）と単独負荷の容量との大小関係に基づいて、系統連系用順／逆変換装置１７を、順変換装置または逆変換装置として機能させる場合について説明したが、これに限らず、順変換装置と逆変換装置とをそれぞれ備えるようにしてもよい。
【００６２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の電源システムによれば、単独負荷の変動時にも、燃料電池発電システムの設備利用率１００％を実現しながら、電圧・周波数の揃った高品質かつ無停電な電力を単独負荷へ供給することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による電源システムの一実施の形態を示す概略構成図。
【図２】従来の電源システムの一例を示す概略構成図。
【図３】従来の電源システムの他の例を示す概略構成図。
【符号の説明】
１１…燃料電池本体、
１２…太陽電池、
１３…バッテリ、
１４…直流母線、
１５…逆変換装置、
１６…交流系統、
１７…系統連系用順／逆変換装置、
１８…直流／直流変換器、
１９…切替スイッチ。

Claims

燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電を行なう複数台の単電池を接続してなり直流電力を出力し、設備利用率１００％で運転する燃料電池を有し、直流母線に接続された燃料電池発電システムと、
前記直流母線に接続され、直流電力を交流電力に変換して単独負荷へ供給する複数台の逆変換装置と、
前記直流母線に接続され、前記直流母線から供給される直流電力のうち前記複数台の逆変換装置に供給される直流電力の余剰の直流電力を交流電力に変換して、商用系統である交流系統に供給する連系運転機能を有し、前記燃料電池発電システムの総発電電力量の直流電力を交流電力に変換する容量を持つ系統連系用逆変換装置と
を備えたことを特徴とする電源システム。
前記請求項１に記載の電源システムにおいて、
前記直流母線に接続され、直流電力を一定の直流電圧・電流となるように変換して単独直流負荷へ供給する少なくとも１台の直流／直流変換器を付加して成ることを特徴とする電源システム。
前記請求項１又は前記請求項２に記載の電源システムにおいて、
前記直流母線に接続され、前記燃料電池発電システムから出力される直流出力が前記単独負荷の容量よりも少なくなった場合に、前記交流系統からの交流電力を直流電力に変換し、前記燃料電池発電システムからの直流出力に加えて前記単独負荷へ供給する順変換装置を付加して成ることを特徴とする電源システム。
前記請求項３に記載電源システムにおいて、
前記燃料電池発電システムと連系するように前記直流母線に接続され、直流電力を出力する直流電力供給設備を備え、
系統連系用逆変換装置は、前記燃料電池発電システムの総発電電力量の直流電力及び前記直流電力供給設備から出力される直流電力を交流電力に変換する容量を持つことを特徴とする電源システム。
前記請求項４に記載の電源システムにおいて、
前記各逆変換装置からの交流電力と前記交流系統からの交流電力とをそれぞれ各別に入力し、通常時は前記逆変換装置からの交流電力を、また前記逆変換装置の異常時には前記交流系統からの交流電力を前記単独負荷へ供給するように切替えを行なう切替スイッチを付加して成ることを特徴とする電源システム。