JP4442228B2 - 燃料電池発電装置の運転方法 - Google Patents

Description

この発明は、電力系統と連系して運転される燃料電池発電装置において、原燃料の供給遮断と系統の停電が発生した場合に、これらがどのような順序で発生しても、安定に非常用燃料に切り替えて自立負荷に電源を供給することのできる運転方法に関する。

燃料電池発電装置において、原燃料の供給がなんらかの事情で遮断された場合、通常は非常用燃料に切り替えて運転が継続される（たとえば特許文献１参照）。しかしながら、原燃料の供給遮断に前後して系統に停電が発生した場合には、単純に非常用燃料に切り替えるだけではシステム全体の安定な動作が保証できないという問題があった。

図6はこの種の燃料電池発電システムの一例の一般的な構成を示すものであるが、大別して燃料電池１を含む燃料電池電気盤９、系統連系・遮断を司る電気盤１５、系統１６及び負荷３１〜３４から成っている。

燃料電池電気盤９における燃料電池１は、一般に単電池がスタック状に積み上げられる構成で直流電力を発生するものであるので、インバータ２を介してこれを交流電力に変換し、絶縁変圧器３にて昇圧して系統連系用遮断器４、系統連系用電磁接触器５、燃料電池制御盤遮断器６を介して電気盤１５に送る。燃料電池電気盤９にはさらにインバータ２の制御を司る燃料電池制御装置７が設けられ、この制御装置７は無停電電源３８から常時給電を受けている。８は内部補機であり、無停電電源３８と共に系統連系用遮断器４と系統連系用電磁接触器５との接続点から電源供給を受けるほか、電気盤１５内の自立運転系統用遮断器１３及び自立運転系統用電磁開閉器１４を介して系統からも受電できるようになっている。１２は電気盤１５の制御装置である。

一方、電力系統（たとえば商用電源系統）１６は、高圧交流負荷開閉器１７及び真空遮断器１９を介して、動力電源用変圧器２１及び電灯電源用変圧器２２に電力を供給している。高圧交流負荷開閉器１７と真空遮断器１９との接続点には、計器用変圧器１８を介して不足電圧保護リレー２０が接続されており、系統の停電その他の電圧低下を監視する。

動力電源用変圧器２１の二次側には燃料電池用遮断器２３及び電気盤１５内の主電源遮断器１１と燃料電池用遮断器１０とを介して燃料電池電気盤１９に給電する経路と、自立運転用遮断器２４及び前述の電気盤１５内の自立運転系統用遮断器１３及び自立運転系統用電磁開閉器１４を介して燃料電池電気盤１９に給電する経路とがあるほか、動力負荷用遮断器２５及び２６をそれぞれ介して動力負荷３１及び３２に給電する経路がある。

他方、電灯電源用変圧器２２の二次側には、同様に電灯負荷用遮断器２７及び２８をそれぞれ介して電灯負荷３３及び３４に給電する経路がある。

燃料電池制御装置７は、図で破線にて示すように、不足電圧保護リレー２０、真空遮断器１９、電気盤制御装置１２、自立運転系統用電磁開閉器１４、系統連系用電磁接触器５、インバータ２等と接続され、これらから不足電圧信号や開閉状態を示す信号を受信すると共に、これらに開閉指令や制御信号を送信する。

以上の構成は、系統と連系運転される燃料電池発電装置を備えた一般的な機器構成を示すもので、ここでは図示しないが、燃料電池電気盤９と電気盤１５とを統合したり、非常時に動力負荷及び電灯負荷のうち重要なもの以外を切り離すための付加的な開閉器を備えたりすることができる。

さて、この種のシステムにおいて、燃料電池発電装置に供給される原燃料が遮断された場合、通常は系統への送電もしくは自立負荷への電源供給を継続したまま、非常用の原燃料に切り替えている。
すなわち、系統連系運転中に停電が発生して、受電系統内の自立負荷に電源を供給している状態で、例えば原燃料としての都市ガスの圧力低下があると、非常用燃料への切り替えが開始され、非常用燃料への切り替え終了確認後、非常用燃料運転が開始されるわけであるが、非常用燃料への切り替えは瞬時に行われるわけではなく、特に異種燃料の場合は、燃料電池発電装置内に設置されている改質器や燃料電池スタック等の内部に残っている原燃料がパージされて新たに入れ替わるまでには、規模に応じて１分から５分の時間を必要とする。この間に負荷変動が生じると、燃料の供給過剰あるいは供給不足を惹起し、運停を余儀なくされることがあった。
すなわち、従来は、図５に示すように、図６の不足電圧保護リレーにて停電発生を検知して系統遮断器１９を遮断した場合、インバータ２が通常有する異常電圧検出機能に基づいて停電を電圧異常として検出して連系用電磁開閉器５を開き、燃料電池の単独運転に入ったのち、自立負荷用電磁開閉器１４を投入して、燃料電池１−インバータ２−変圧器３−系統連系用遮断器４−自立運転系統用遮断器１３―自立運転系統用電磁開閉器１４−自立運転用遮断器２４−動力負荷２５，２６の経路にて、自立負荷としての動力負荷に給電が継続されていたのであるが、燃料切り替えが完了する前に自立負荷に負荷変動が生じると、燃料電池としてはこの負荷変動に発電が追随できなくなるおそれがあった。

また、系統連系運転において、系統に停電が無く、かつ、負荷に変動が生じている状況で、原燃料が遮断され非常用燃料切り替えなければならない場合にも、負荷変動が外乱となり燃料切り替えが安定して行えないという問題があった。
特許第２９１６２９３号公報（第３頁第５欄段落番号００２３以下）

本発明は、上記のごとき問題点を解決するためになされたもので、この発明の課題は、受電系統に非常用燃料設備を備えた燃料電池発電装置を設けた場合に、停電と原燃料遮断とがどのような順序で発生しても、安定して撚料切り替えを行い、自立負荷に非常用電源を供給できるようにすることにある。

前述の目標を達成するために、電力系統と、原燃料および非常用燃料を具備した燃料電池発電装置を含む受電系統とを連系運転するシステムにおいて、停電の発生後に原燃料遮断が発生した場合には、電力系統における停電発生時に電力系統との連系を解いて燃料電池発電装置から自立負荷に給電し、その後、燃料電池発電装置への原燃料遮断が生じた際には、自立負荷を一旦遮断し、燃料電池発電装置の負荷を内部補機に限定して燃料電池の発電に必要な燃料量を一定にしてから非常用燃料に切り替え、しかる後に自立負荷に給電する（請求項１記載の発明）。

また、原燃料の供給が遮断された後に系統が停電した場合には、燃料電池発電装置への原燃料が遮断された時に先ず電力系統との連系を解き、自立負荷を一旦遮断し、燃料電池発電装置の負荷を内部補機に限定して燃料電池の発電に必要な燃料量を一定にしてから非常用燃料に切り替え、その後電力系統に停電が発生した場合には、燃料電池発電装置から自立負荷に給電する（請求項２記載の発明）。

また、電力系統の停電と原燃料遮断とが同時に発生した場合には、先ず電力系統との連系を解き、自立負荷を一旦遮断し、燃料電池発電装置の負荷を内部補機に限定して燃料電池の発電に必要な燃料量を一定にしてから非常用燃料に切り替え、その後燃料電池発電装置から自立負荷に給電する（請求項３記載の発明）。

この発明によれば、系統の停電と原燃料の供給遮断とが、相前後してまたは同時に発生した場合であっても、燃料電池発電装置の自立負荷を遮断して負荷を内部補機に限定するという共通の手法を採用することにより、安定して燃料の切り替えが行えると共に、必要な自立負荷への給電を確実に実施できる効果がある。

（実施例１）
図１のフローチャートを図６の系統図と共に説明する。系統電源１６にて、一定時間の停電が発生すると、不足電圧リレー２０が動作する。この不足電圧保護リレー２０の動作に伴い、真空遮断器１９が遮断され、受電系統は系統電源１６と切り離される。一方、燃料電池発電装置内のインバータ２は、電圧の異常を検知して一旦停止する。同時に連系用電磁開閉器５が開かれる。不足電圧保護リレー２０の動作信号および真空遮断器１９の開路信号は電気盤制御装置１２において検出され、電気盤制御装置１２により自立運転系統用電磁開閉器１４が投入され、さらに、その投入信号を燃料電池制御装置７が検出して、インバータ２を再起動させ、自立運転系統用電磁開閉器１４を介して、自立負荷である動力負荷３１、動力負荷３２、電灯負荷３３および電灯負荷３３へ電源が供給される。この後に原燃料が遮断されると、圧力低下によりこれを検出し、直ちに自立運転系統用電磁開閉器１４を開放させ、自立負荷への電源供給を遮断し、燃料電池発電装置の電源供給は内部補機８のみとなる。この結果、発電に必要な燃料流量は一定な状態となり、この状態下で安定な燃料切り替えを行い、その後、再度、自立運転系統用電磁開閉器１４を投入させ自立負荷への電源供給を行う。
（実施例２）
図２のフローチャートと図６において、原燃料の遮断を圧力低下により検出し、連系用電磁開閉器５を開路し、電源の供給を内部補機８のみとする。この後に、系統の停電が発生した場合、自立運転系統用電磁開閉器１４を投入し自立負荷への電源供給を行う。
（実施例３）
図３のフローチャートと図６において、停電と原燃料の遮断が同時に発生した場合、連系用電磁開閉器５を遮断し、電源の供給を内部補機８のみとし、非常用燃料に切り替えを行った後、自立運転系統用電磁開閉器１４を投入し自立負荷への電源供給を行う。

本発明の実施例１のフローチャート図 本発明の実施例２のフローチャート図 本発明の実施例３のフローチャート図 従来自立負荷への給電方法の一例のフローチャート図 従来の燃料切り替え方法の一例のフローチャート図 本発明が適用可能な燃料発電装置の構成図

符号の説明

１ 燃料電池
２ インバータ
５ 系統連系用電磁接触器
７ 燃料電池制御装置
８ 内部補機
９ 燃料電池電気盤
１２ 電気盤制御装置
１３ 自立運転系統用遮断器
１５ 電気盤
１６ 系統
２０ 不足電圧保護リレー
２４ 自立運転用遮断器
３１〜３４ 負荷

Claims (3)

1. 電力系統と、原燃料および非常用燃料を具備した燃料電池発電装置を含む受電系統とを連系運転するシステムにおいて、電力系統における停電発生時には電力系統との連系を解いて燃料電池発電装置から自立負荷に給電し、その後、燃料電池発電装置への原燃料遮断が生じた際には、自立負荷を一旦遮断し、燃料電池発電装置の負荷を内部補機に限定して燃料電池の発電に必要な燃料量を一定にしてから非常用燃料に切り替え、しかる後に自立負荷に給電することを特徴とする燃料電池発電装置の運転方法。
2. 電力系統と、原燃料および非常用燃料を具備した燃料電池発電装置を含む受電系統とを連系運転するシステムにおいて、燃料電池発電装置への原燃料が遮断された時には先ず電力系統との連系を解き、自立負荷を一旦遮断し、燃料電池発電装置の負荷を内部補機に限定して燃料電池の発電に必要な燃料量を一定にしてから非常用燃料に切り替え、その後電力系統に停電が発生した場合には、燃料電池発電装置から自立負荷に給電するようにしたことを特徴とする燃料電池発電装置の運転方法。
3. 電力系統と、原燃料および非常用燃料を具備した燃料電池発電装置を含む受電系統とを連系運転するシステムにおいて、電力系統の停電と燃料電池発電装置への原燃料の遮断とが同時に発生した場合には、先ず電力系統との連系を解き、自立負荷を一旦遮断し、燃料電池発電装置の負荷を内部補機に限定して燃料電池の発電に必要な燃料量を一定にしてから非常用燃料に切り替え、その後燃料電池発電装置から自立負荷に給電するようにしたことを特徴とする燃料電池発電装置の運転方法。
   
   

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