JP4967380B2 - 燃料電池発電装置システム - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池発電装置システムの高調波歪低減に関するものである。

燃料電池発電システムは、発電が開始するには、水素生成器により水素を主成分とする燃料ガスである水素ガスを生成し、生成した水素ガスと酸化剤ガスとを反応させて発電を行う。このとき、実際に発電の燃料ガスとなるのに十分な水素リッチな状態のガスを生成するまでには、比較的長い時間（例えば１時間程度）を要する。その間、燃料電池発電装置システムは、原料ガスの流路を切替える弁や、冷却水を供給するポンプや、水素生成器の温度を水素の改質が十分に行われるまで上昇させるヒーターなどの制御が必要である。

そして、これらの弁や、ポンプや、ヒーターなどの駆動電源は、燃料電池スタックの発電が開始するまでは、電力会社から電気を購入し、スイッチングレギュレーターなどでＡＣ／ＤＣ変換を行い、駆動用の電源を作って、各種弁や、ポンプや、基板の制御回路などを作動させている。
特開平９−１３３７１７号公報

しかし、前記従来の構成は、発電が開始するまでに用いられる、スイッチングレギュレーターなどは、整流回路の非線形性により、電力系統への環境問題である高調波電流の問題を引起す恐れがあるという課題があった。

前記従来の課題を解決するために、本発明の燃料電池発電装置システムは、炭化水素系原料燃料と水から水素を主成分とする燃料ガスを生成する水素生成器と、前記水素生成器で得られた水素ガスと酸化剤ガスとを反応させて発電を行う燃料電池スタックと、燃料電池スタックで発電した電気を交流に変換するインバータと、起動、発電、停止の一連の動作を制御する制御手段と、商用電源から制御手段に供給する直流電源を作るＡＣ／ＤＣコンバータと、発電した燃料電池スタックの直流電源から制御手段に供給する直流電源を作るＤＣ／ＤＣコンバータと、前記制御手段に供給する電源を切替える電源切替え手段と、前記ＡＣ／ＤＣコンバータの入力電源を切断する系統切断手段と、を有し、前記燃料電池スタックが発電状態となると、前記系統切断手段は、前記ＡＣ／ＤＣコンバータの入力電源を切断して前記ＡＣ／ＤＣコンバータと電力系統とを切り離し、かつ、前記電源切替え
手段は、前記制御手段に供給する電源をＡＣ／ＤＣコンバータからＤＣ／ＤＣコンバータへ切替えるものである。

これによって本発明は、例えば、燃料電池発電装置システムなど、燃料電池スタックで発電した電気を交流に変換するインバータを備えるシステムの場合、発電が開始されたらＡＣ／ＤＣコンバータの入力ラインを電力系統と切り離すので、ＡＣ／ＤＣコンバータなどのスイッチング電源などの高調波歪の影響を無視することができる。

本発明の燃料電池発電装置システムは、例えば、燃料電池スタックの発電が開始すると、ＡＣ／ＤＣコンバータの入力ラインを電力系統と切り離すので、ＡＣ／ＤＣコンバータなどのスイッチング電源などの高調波歪の問題を切り離すことができ、インバータの高調波歪のみを抑制すればよい。よって燃料電池発電装置システムの高調波歪を大幅に低減することができる。

第１の発明は、炭化水素系原料燃料と水から水素を主成分とする燃料ガスを生成する水素生成器と、前記水素生成器で得られた水素ガスと酸化剤ガスとを反応させて発電を行う燃料電池スタックと、燃料電池スタックで発電した電気を交流に変換するインバータと、起動、発電、停止の一連の動作を制御する制御手段と、商用電源から制御手段に供給する直流電源を作るＡＣ／ＤＣコンバータと、発電した燃料電池スタックの直流電源から制御手段に供給する直流電源を作るＤＣ／ＤＣコンバータと、前記制御手段に供給する電源を切替える電源切替え手段と、前記ＡＣ／ＤＣコンバータの入力電源を切断する系統切断手段と、を有し、前記燃料電池スタックが発電状態となると、前記系統切断手段は、前記ＡＣ／ＤＣコンバータの入力電源を切断して前記ＡＣ／ＤＣコンバータと電力系統とを切り離し、かつ、前記電源切替え手段は、前記制御手段に供給する電源をＡＣ／ＤＣコンバータからＤＣ／ＤＣコンバータへ切替えることを特徴とする、燃料電池発電装置システムである。

上記構成、動作によると、前記燃料電池スタックが発電状態となったら、前記ＡＣ／ＤＣコンバータの入力電源のラインをオフし、つまり系統側との接続を切断することで、系統側への高調波歪の要因となる、ＡＣ／ＤＣコンバータを系統と切断することができるので、系統への高調波歪の低減を実現することが出来る。

第２の発明は、第１の発明において、系統切断手段は、インバータが燃料電池スタックの発電を検出し、前記インバータが燃料電池スタックで発電した電気を交流に変換していることを制御手段が検出すると、前記制御手段が、検討切断手段にＡＣ／ＤＣコンバータの入力電源を切断する制御信号を出力して、前記ＡＣ／ＤＣコンバータと電力系統とを切り離すことを特徴とする、燃料電池発電装置システムである。

上記構成、動作によると、前記燃料電池スタックが発電状態となったら、インバータが燃料電池スタックの発電を検出し、前記インバータが燃料電池スタックで発電した電気を交流に変換したことを、前記制御手段が検出してから、ＡＣ／ＤＣコンバータの入力電源を切断するので、燃料電池スタックが発電前にＡＣ／ＤＣコンバータの入力電源を切断することを防止することができるので、前記制御手段にＡＣ／ＤＣコンバータとＤＣ／ＤＣコンバータのどちらからも電源が供給されないという不具合を確実に防止しながら、かつ、発電後の電源高調波歪の低減を実現することができる。

第３の発明は、第１の発明において、系統切断手段は、制御手段が燃料電池スタックの発電を検出し、前記制御手段が、系統切断手段にＡＣ／ＤＣコンバータの入力電源を切断
する制御信号を出力して、前記ＡＣ／ＤＣコンバータと電力系統とを切り離すことを特徴とする燃料電池発電装置システムである。

上記構成、動作によると、前記燃料電池スタックが発電状態となったら、制御手段が燃料電池スタックの発電を検出し、前記制御手段がＡＣ／ＤＣコンバータの入力電源を切断するので、燃料電池スタックが発電前にＡＣ／ＤＣコンバータの入力電源を切断することを防止することができるので、前記制御手段にＡＣ／ＤＣコンバータとＤＣ／ＤＣコンバータのどちらからも電源が供給されないという不具合を確実に防止しながら、かつ、発電後の電源高調波歪の低減を実現することができる。

第４の発明は、第１の発明において、燃料電池スタックの発電電圧を計測する、スタック電圧検出手段を有し、系統切断手段は、前記スタック電圧検出手段が所定の電圧以上になったら、前記燃料電池スタックが発電したと判定し、前記スタック電圧検出手段が、系統切断手段にＡＣ／ＤＣコンバータの入力電源を切断する制御信号を出力して、前記ＡＣ／ＤＣコンバータと電力系統とを切り離すことを特徴とする燃料電池発電装置システムである。

上記構成、動作によると、前記燃料電池スタックが発電状態となったら、スタック電圧検出手段が燃料電池スタックの発電を検出し、前記スタック電圧検出手段がＡＣ／ＤＣコンバータの入力電源を切断するので、燃料電池スタックが発電前にＡＣ／ＤＣコンバータの入力電源を切断することを防止することができるので、前記制御手段にＡＣ／ＤＣコンバータとＤＣ／ＤＣコンバータのどちらからも電源が供給されないという不具合を確実に防止しながら、かつ、発電後の電源高調波歪の低減を実現することができる。

また、マイコンなどを用いることなく、前記燃料電池スタックが発電状態となったら、前記スタック電圧検出手段がＡＣ／ＤＣコンバータの入力電源を切断することが可能であるので、シンプルな回路構成で、発電後の電源高調波歪の低減を実現することができる。

第５の発明は、第１から第４のいずれか１つの発明において、ＡＣ／ＤＣコンバータの出力電圧を計測する、電圧計測手段を有し、燃料電池スタックが発電し、系統切断手段にＡＣ／ＤＣコンバータの入力電源を切断する制御信号が出力された後も、前記電圧計測手段が前記ＡＣ／ＤＣコンバータの出力電圧が所定の電圧以上であることを検出したときは、制御手段は前記燃料電池スタックの発電を停止することを特徴とする燃料電池発電装置システムである。

上記構成、動作によると、ＡＣ／ＤＣコンバータの電圧を計測する電圧計測手段が、所定の電圧以上であると検知したときは、燃料電池スタックが発電開始後に、ＳＷレギュレータの高調波歪の低減のため、ＡＣ／ＤＣコンバータの入力を切断したにも関わらず、系統との切り離しができていないと判断することができる。よって、系統への高調波歪の影響を校了して、前記燃料電池スタックの発電を停止するように制御を行うことで、系統への高調波歪の影響を防止することができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、本実施の形態によって本発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
図１は、本発明の第１の実施の形態における燃料電池発電装置システムの構成図の例を示すものである。

図１において、燃料電池発電装置１は、柱上トランス１４と、家庭内に設置されている
分電盤１５を介して、系統１３と接続されている。また、分電盤１５と燃料電池発電装置１の間には、家庭内負荷１６が接続されており、燃料電池発電装置１が発電していないときには、家庭内負荷１５の電力は系統側から供給し、発電しているときには燃料電池発電装置１から前記家庭内負荷１５の電力を供給し、不足分の電力は系統電力から供給している。

また、図１において、燃料電池発電装置１は、燃料電池発電装置１が漏電しているときに、電力の供給を遮断する漏電ブレーカー２と、燃料ガスと酸化剤ガスとを用いて発電を行う燃料電池スタック５と、前記燃料電池スタック５が発電した直流電圧を交流電圧に変換するインバータ３と、前記燃料電池発電装置１の起動、発電、停止の一連の動作を制御する制御手段４と、原料（例えば天然ガスなど）を水蒸気改質し水素を主成分とする燃料ガスを生成する水素生成器６と、酸化剤ガスである空気を燃料電池スタック１に供給するためのブロア送風機７と、前記燃料電池発電装置１が発電する際に発生した熱を回収する廃熱回収手段８と、前記燃料電池スタックが発電していないときに、前記制御手段４や前記水素生成器６や送風機７などに、制御用電源や駆動用電源などを供給する、ＡＣ／ＤＣコンバータ９と、前記燃料電池スタックが発電しているときに、前記制御手段４や前記水素生成器６や送風機７などに、制御用電源や駆動用電源などを供給する、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０と、ＡＣ／ＤＣコンバータ９と、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０の出力を切替える電源切替え手段１１と、ＡＣ／ＤＣコンバータ９と系統側を切断する、系統切断手段１２を有している。

次に、本発明の第１の実施の形態の動作について図１から図４を用いて説明する。

図１から図４は、本発明の第１の実施の形態における燃料電池発電装置の構成図の例を示すものである。

まず、燃料電池発電装置１が発電していない場合の動作の例について説明する。

図１において、燃料電池発電装置１は、発電する前の起動中は、系統１３から前記分電盤１５を介して電力が供給されている。また、前記分電盤１５の下流側にはエアコン、電気、冷蔵庫など家庭内負荷１６が接続されており、前記燃料電池発電装置と同様に、系統側から電気が供給されている。

燃料電池発電装置１が発電可能状態となるまでには、水素生成器６により、都市ガスなどの原料を水蒸気改質し水素を主成分とする燃料ガスを生成する必要がある。この水蒸気改質を行い、発電可能な水素を生成するためには、水素生成器６の温度を約６００〜７００℃まで上昇させる必要がある。そのため、燃料電池発電装置の内部には、温度を上昇させるためのヒーターや、水素生成器６の温度を制御するファンや、原料ガスの流路を変える弁などを有しており、これらの機器を制御することで発電に利用する水素を生成している。

これらのヒーターやファンや弁を駆動させるための電源は、前記燃料電池発電装置１が発電していないときは、系統側から、系統切断手段１２を介してＡＣ／ＤＣコンバータ９に入力され、前記ＡＣ／ＤＣコンバータにより電源変換が行われ、それぞれのヒーターやファンや弁を駆動するのに必要な電源を生成している。

次に、燃料電池発電装置１が発電している場合の動作の例について説明する。

水素生成器６により、天然ガスなどの原料ガスから水素への改質が十分に進み、燃料電池の発電に必要な水素が生成されると、燃料電池発電装置１は発電可能状態となり、燃料
電池スタック５の発電が開始する。

燃料電池スタック５が発電状態となると、燃料電池スタック５で発電した直流電力はインバータにより交流電力に変換され、変換された電力は家庭内負荷１６に使用される。燃料電池発電装置１でも同様に、今までは、天然ガスから水素を生成するためのヒーターやファンや弁の駆動電源を、系統側から供給して駆動用電源を生成していたが、燃料電池スタックが発電状態になったならば、燃料電池スタックで発電した電力を、これらのファンや弁の駆動電力として用いることができる。

発電している燃料電池スタック５の直流電源がＤＣ／ＤＣコンバータ１０に入力され、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０では、それぞれのヒーターやファンや弁を駆動するのに必要な電源を生成する。

また、燃料電池スタックが発電状態となったら、インバータは燃料電池スタック５が発電状態になったことを検出し、制御手段４に燃料電池スタックが発電状態になったことを報知する。例えば、インバータでは、燃料電池スタックからの入力電圧が、所定の電圧以上であったときに燃料電池スタックが発電状態であると判断する、入力電圧比較手段などを備えることで、燃料電池スタックが発電状態であるかどうかの判定を行うことができる。

そして、前記インバータ３から制御手段４に、燃料電池スタックが発電状態になったことを報知されると、制御手段４は、系統切断手段１２（例えば、ライン切替え用のリレーなど）を制御し、系統１３側とＡＣ／ＤＣコンバータ９の接続を切る。

但し、図１では、燃料電池スタック５が発電状態かどうかの判定する機能をインバータ３が有しているが、図２に示すように、燃料電池スタック５の出力電圧を、前記制御手段４が直接計測しても、燃料電池スタック５が発電状態になったら、系統切断手段１２を制御し、系統１３側とＡＣ／ＤＣコンバータ９の接続を切ることができる。よって、インバータ５に燃料電池スタック５が発電状態かどうかの判定する機能を有していない構成でも、その効果は変らない。

また、図３に示すように、燃料電池スタック５の出力電圧を計測する、比較器などのスタック電圧検出手段２１を設けて、燃料電池スタック５の出力電圧が所定の電圧以上になったら、系統切断手段１２の制御端子を直接制御しても、前記燃料電池スタック５が発電状態になったら、系統切断手段１２を制御し、系統１３側とＡＣ／ＤＣコンバータ９の接続を切ることができるのでその効果は変らない。

これらの手法により、燃料電池発電装置１が発電中に、前記ＡＣ／ＤＣコンバータからの出力が遮断されても、燃料電池発電装置１の制御電源や、ヒーターやファンや弁などの駆動電源は、電源切替え手段１１により、ＡＣ／ＤＣコンバータ９の出力から、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０の出力に切替えられ、前記ＤＣ／ＤＣコンバータ１０より供給されるので、発電前と同様に燃料電池発電装置１の運転を行うことができる。

スイッチング電源などは、整流回路の非線形性により、電力系統への環境問題である高調波電流の問題を引起す場合がある。日本では自主規制という形であるが、今後は一段と電流波形歪による高調波電流の規制は高まることが予測される。このため、市販のスイッチングレギュレーターの中には、高調波電流規制に対応した商品なども販売されている。

しかし、これらの高調波電流規制に対応した商品は、標準品に比べて価格が高価であり、かつ、部品の選定の際に、高調波電流規制対応品に限定される。

しかし、本発明の実施の形態１では、発電中には前記ＡＣ／ＤＣコンバータ９と前記系統１３の接続を切り離し、前記燃料電池スタック５からＤＣ／ＤＣコンバータ１０により、燃料電池発電装置１の制御電源や、弁やファンの駆動電源を生成するので、前記ＡＣ／ＤＣコンバータの高調波電流歪の影響を発電中は完全に無視することができ、かつ、発電前と同様に燃料電池発電装置１の運転を行うことができる。

よって、燃料電池発電装置１のような系統連系を行う商品において、前記ＡＣ／ＤＣコンバータの高調波電流歪の影響を無視することができるので、燃料電池発電装置１の高調波電流歪も低減することができる。

また、前記ＡＣ／ＤＣコンバータの部品選定の際に、高調波電流歪対応品に限定されることなく部品の選定が行えるので、前記ＡＣ／ＤＣコンバータの標準品を使うことができるためコストを低減でき、かつ、システムにあったＡＣ／ＤＣコンバータの部品選定の幅を広げることができる。

（実施の形態２）
実施の形態２は、実施の形態１に加えて、計測した発電電力、購入電力、家庭内負荷電力を制御リモコンなどの表示手段に表示する場合の実施例であり、その他の構成、動作は実施の形態１と同じである。

そこで以下では実施の形態２の構成、動作について、実施の形態１との相違点を中心に述べ、その他の構成、動作については実施の形態１と同じものとする。

図４は、ＡＣ／ＤＣコンバータの出力を監視する機能を備える場合の、燃料電池発電装置の例である。

図４において、燃料電池発電装置１はＡＣ／ＤＣコンバータの出力電圧を監視する電圧計測手段３１を有している。

第１の実施の形態と同様に、燃料電池スタックが発電する前は、燃料電池発電装置の制御電源やファンや弁の駆動電源は、ＡＣ／ＤＣコンバータ９より供給され、発電が開始されると、ＡＣ／ＤＣコンバータの高調波電流歪の影響を軽減するため、系統１３とＡＣ／ＤＣコンバータの接続を切り離し、前記燃料電池スタック５の電源をＤＣ／ＤＣコンバータ１０を介して、電源が供給される。

このとき、第２の実施の形態では、ＡＣ／ＤＣコンバータの出力電圧を、前記電圧計測手段３１で計測し、発電中もＡＣ／ＤＣコンバータの出力が、所定の電圧以上である場合は、前記ＡＣ／ＤＣコンバータ９と系統１３側とが切り離されていないと判断し、前記制御手段４により、インバータを停止させかつ、燃料電池スタックの発電を停止させる制御を行う。

これにより、発電中にも関わらず、ＡＣ／ＤＣコンバータの出力が所定の値以上である場合は、ＡＣ／ＤＣコンバータ９と系統１３側とが切り離されていないと判断し、発電を停止させるので、発電中にＡＣ／ＤＣコンバータの電源高調波歪を系統側へ流出させてしまうことを確実に防止することが出来る。

本発明の燃料電池発電装置システムは、燃料電池発電装置システムを始め、エンジン発電装置システムや、太陽光発電装置システムの家庭内の発電装置全般について、装置の電
源高調波歪の低減に利用することが出来る。

実施の形態１における燃料電池発電装置システムのブロック構成図 実施の形態１におけるスタックの発電監視を制御手段が行う場合の燃料電池発電装置システムのブロック構成図 実施の形態１における、燃料電池発電装置内にスタック電圧検出手段を備える場合の燃料電池発電装置システムのブロック構成図 実施の形態２における燃料電池発電装置システムのブロック構成図

１ 燃料電池発電装置
３ インバータ
４ 制御手段
５ 燃料電池スタック
６ 水素生成器
７ 送風機
８ 廃熱回収手段
９ ＡＣ／ＤＣコンバータ
１０ ＤＣ／ＤＣコンバータ
１１ 電源切替え手段
１２ 系統切断手段
１３ 電力系統
１４ 柱上トランス
１５ 分電盤
１６ 家庭内負荷

Claims (5)

1. 炭化水素系原料燃料と水から水素を主成分とする燃料ガスを生成する水素生成器と、
   前記水素生成器で得られた水素ガスと酸化剤ガスとを反応させて発電を行う燃料電池スタックと、
   燃料電池スタックで発電した電気を交流に変換するインバータと、
   起動、発電、停止の一連の動作を制御する制御手段と、
   商用電源から制御手段に供給する直流電源を作るＡＣ／ＤＣコンバータと、
   発電した燃料電池スタックの直流電源から制御手段に供給する直流電源を作るＤＣ／ＤＣコンバータと、
   前記制御手段に供給する電源を切替える電源切替え手段と、
   前記ＡＣ／ＤＣコンバータの入力電源を切断する系統切断手段と、を有し、
   前記燃料電池スタックが発電状態となると、前記系統切断手段は、前記ＡＣ／ＤＣコンバータの入力電源を切断して前記ＡＣ／ＤＣコンバータと電力系統とを切り離し、かつ、前記電源切替え手段は、前記制御手段に供給する電源をＡＣ／ＤＣコンバータからＤＣ／ＤＣコンバータへ切替えることを特徴とする燃料電池発電装置システム。
2. 系統切断手段は、インバータが燃料電池スタックの発電を検出し、前記インバータが燃料電池スタックで発電した電気を交流に変換していることを制御手段が検出すると、前記制御手段が、系統切断手段にＡＣ／ＤＣコンバータの入力電源を切断する制御信号を出力して、前記ＡＣ／ＤＣコンバータと電力系統とを切り離すことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池発電装置システム。
3. 系統切断手段は、制御手段が燃料電池スタックの発電を検出し、前記制御手段が、系統切断手段にＡＣ／ＤＣコンバータの入力電源を切断する制御信号を出力して、前記ＡＣ／ＤＣコンバータと電力系統とを切り離すことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池発電装置システム。
4. 燃料電池スタックの発電電圧を計測するスタック電圧検出手段を有し、系統切断手段は前記スタック電圧検出手段が所定の電圧以上になると、前記燃料電池スタックが発電したと判定し、前記スタック電圧検出手段が系統切断手段にＡＣ／ＤＣコンバータの入力電源を
   切断する制御信号を出力して、前記ＡＣ／ＤＣコンバータと電力系統とを切り離すことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池発電装置システム。
5. ＡＣ／ＤＣコンバータの出力電圧を計測する電圧計測手段を有し、燃料電池スタックが発電し系統切断手段にＡＣ／ＤＣコンバータの入力電源を切断する制御信号が出力された後も、前記電圧計測手段が前記ＡＣ／ＤＣコンバータの出力電圧が所定の電圧以上であることを検出したときは、制御手段は前記燃料電池スタックの発電を停止することを特徴とする請求項１〜４いずれか１項に記載の燃料電池発電装置システム。

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