JP4981317B2 - Fuel cell power supply system - Google Patents
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Description
本発明は、複数の燃料電池が出力した直流電力を交流電力に変換して電力消費ユニットに供給する給電システム、特に、小規模集合住宅に適した燃料電池給電システムに関するものである。 The present invention relates to a power supply system that converts DC power output from a plurality of fuel cells into AC power and supplies it to a power consuming unit, and more particularly to a fuel cell power supply system suitable for a small-scale apartment house.
従来、燃料電池が出力した直流電力をパワーコンディショナーで交流電力に変換し、商用系統(商用交流電源)と連系して、小規模集合住宅の複数の住戸に供給する給電システムが提案されている(例えば、特許文献1)。
図3は従来の燃料電池給電システムの一例を示す。このシステムは、5戸の住戸71〜75で構成された小規模集合住宅70を対象とし、5Kwの一台の燃料電池51と貯湯タンク等の排熱回収用の給湯設備(図示せず)とを備え、燃料電池51の出力する直流電力をパワーコンディショナー52で交流電力に変換し、電力線網に連系して各住戸71〜75へ電力を供給している。このシステムでは集合住宅70側での使用電力が低い軽負荷運転のとき、燃料電池51の発電効率や補機類の排熱回収効率が低下し、総合的なエネルギー効率が低下するという問題点が有った。
FIG. 3 shows an example of a conventional fuel cell power supply system. This system is intended for a
図4は従来の改良システムを示す。このシステムは、燃料電池部61に1kWの独立運転可能な5台の燃料電池61〜65を備え、集合住宅70での使用電力が少ないときは、5台のうち必要に応じた台数の燃料電池で直流電力を発電することで、軽負荷運転時の効率低下を抑えている。そして、図3のシステムと同様、燃料電池61〜65で発電した直流電力をパワーコンディショナー52で交流電力に変換し、電力線網を経て各住戸71〜75に電力を供給する。
FIG. 4 shows a conventional improved system. This system is provided with five
図5は従来の給電システムで用いられるパワーコンディショナー52の回路構成を示す。このパワーコンディショナー52は、昇圧チョッパ部83とインバータ部84と連系部85とを備え、燃料電池51の出力するDC48V程度の低い電圧を昇圧チョッパ部83でDC350〜400V程度まで昇圧し、インバータ部84で交流電力に変換した後に、連系部85を経て商用系統60や電力線網に給電するように構成されている。
FIG. 5 shows a circuit configuration of a
しかし、従来の給電システムによると、燃料電池の発電電力が5kWで出力電圧が48Vの場合、パワーコンディショナー52の入力端子、昇圧チョッパ部83のリアクトルL、スイッチング素子SWおよびその配線には100A以上の電流が流れる。この電流による損失は次式より求められる。
(電流)2 ×(抵抗)
抵抗:リアクトルLと配線の直流抵抗及びスイッチング素子SWのオン抵抗を含む
従って、昇圧チョッパ部83の入力電流が大きくなるほど、パワーコンディショナー52の損失が電流の2乗に比例して大きくなり、給電システム全体のエネルギー効率が低下する問題点が有った。
However, according to the conventional power supply system, when the generated power of the fuel cell is 5 kW and the output voltage is 48 V, the input terminal of the
(Current) 2 x (resistance)
Resistance: including the DC resistance of the reactor L and the wiring and the ON resistance of the switching element SW. Therefore, as the input current of the
そこで、本発明の目的は、パワーコンディショナーの損失を抑えて、総合エネルギー効率を高めることができる燃料電池給電システムを提供することにある。 Accordingly, an object of the present invention is to provide a fuel cell power supply system that can suppress the loss of a power conditioner and increase the total energy efficiency.
上記課題を解決するために、請求項1に係る発明は、複数の燃料電池が出力した直流電力をパワーコンディショナーで交流電力に変換して複数の電力消費ユニットに供給する燃料電池給電システムにおいて、パワーコンディショナーが各燃料電池に個別に接続された複数の昇圧チョッパ部と、各昇圧チョッパ部が直列に接続された一つのインバータ部とを備えたことを特徴とする。 In order to solve the above-described problem, the invention according to claim 1 is directed to a fuel cell power supply system that converts DC power output from a plurality of fuel cells into AC power by a power conditioner and supplies the AC power to a plurality of power consuming units. The conditioner includes a plurality of boost chopper units individually connected to each fuel cell, and one inverter unit in which each boost chopper unit is connected in series.
また、本発明の燃料電池給電システムは、各燃料電池の出力電圧を別々に検出する電圧検出部と、パワーコンディショナーを制御する制御部とを備え、制御部が電圧検出部の検出値に基づいて燃料電池の運転台数を判別し、運転中の燃料電池に接続された昇圧チョッパ部に燃料電池の運転台数に応じた出力電圧目標値を設定することを特徴とする。 Further, the fuel cell power supply system of the present invention includes a voltage detection unit that separately detects the output voltage of each fuel cell and a control unit that controls the power conditioner, and the control unit is based on the detection value of the voltage detection unit. The number of operating fuel cells is discriminated, and an output voltage target value corresponding to the number of operating fuel cells is set in the boost chopper connected to the operating fuel cell .
請求項1の発明によれば、複数の燃料電池を備えた給電システムにおいて、パワーコンディショナーに燃料電池と同数の昇圧チョッパ部を設けたので、個々の昇圧チョッパ部の入力電流を小さくし、パワーコンディショナーの損失を抑えて、総合エネルギー効率を高めることができる効果がある。また、パワーコンディショナーの出力電力が大きくなるほど、昇圧チョッパ部一台あたりの昇圧比が小さくなるため、昇圧運転の制御が容易となり、パワーコンディショナーの動作が安定する利点もある。さらに、燃料電池の保守・点検時に、対象となる燃料電池に接続された昇圧チョッパ部のみを停止させることができ、システムダウン(全発電停止)させることなく、メンテナンスを実施できる効果もある。 According to the first aspect of the present invention, in the power supply system including a plurality of fuel cells, since the power conditioner is provided with the same number of boost chopper units as the fuel cells, the input current of each boost chopper unit is reduced, and the power conditioner There is an effect that the total energy efficiency can be improved by suppressing the loss of the energy. In addition, as the output power of the power conditioner increases, the boost ratio per boost chopper section decreases, so that the boost operation can be easily controlled and the operation of the power conditioner is stable. Further, at the time of maintenance / inspection of the fuel cell, only the boost chopper connected to the target fuel cell can be stopped, and there is an effect that the maintenance can be performed without causing the system to go down (stopping all power generation).
また、本発明の燃料電池給電システムによれば、制御部が運転中の燃料電池に接続された昇圧チョッパ部に燃料電池の運転台数に応じた出力電圧目標値を設定するので、給電システムを電力需要の変動に合わせて経済的に稼動できる効果がある。 Further , according to the fuel cell power supply system of the present invention , the control unit sets the output voltage target value corresponding to the number of operating fuel cells in the boost chopper connected to the operating fuel cell. It has the effect of being able to operate economically according to fluctuations in demand.
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図1は小規模集合住宅用の燃料電池給電システムを示す。この給電システムは、5台の燃料電池11〜15からなる燃料電池部1と、各燃料電池11〜15が出力した直流電力を交流電力に変換するパワーコンディショナー2と、燃料電池部1及びパワーコンディショナー2を制御するマイクロコンピュータを用いた制御部3とを備え、パワーコンディショナー2の出力を商用系統6と連系して電力消費ユニットである複数の住戸71〜75(図3参照)に供給するように構成されている。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 shows a fuel cell power supply system for a small apartment house. This power supply system includes a fuel cell unit 1 including five
燃料電池11〜15には1Kwの普及型電池が用いられ、5台の燃料電池11〜15が給湯設備等の排熱回収用の補機類を共有している。このため、最大発電容量5Kwの燃料電池部1を安価に設備できるとともに、集合住宅70側の電力需要が低下する軽負荷運転時に、5台の燃料電池11〜15のうち一部の電池のみを独立運転することで、燃料電池部1の総合発電効率を高めることが可能となる。
1 Kw popular type batteries are used for the
パワーコンディショナー2は、燃料電池11〜15と同数である5台の昇圧チョッパ部31〜35と、各昇圧チョッパ部31〜35が出力した直流電力を交流電力に変換する一台のインバータ部4と、インバータ部4の出力を商用系統6と連系させる連系部5とから構成されている。一つの昇圧チョッパ部の容量は燃料電池の発電容量に合わせて1kw程度に設定され、各昇圧チョッパ部31〜35の入力端子が5台の燃料電池11〜15にそれぞれ別々に接続されている。また、各昇圧チョッパ部31〜35の出力端子はダイオードD1〜D5を介してインバータ部4の入力端子に直列に接続されている。
The
ここで、燃料電池11〜15の一台あたりの出力電圧がDC48Vの場合、各昇圧チョッパ31〜35がそれぞれDC80Vを出力することで、インバータ部4に計400Vの直流電圧を供給できる。インバータ部4が単相3線路のAC200V回路と連系するためには、ピーク値で280V強〜300V程度の交流電圧を出力する必要がある。このため、昇圧チョッパ31〜35がインバータ部4にDC400Vを供給すれば、インバータ部4はそれ自身の半導体スイッチやリアクトルでの電圧降下を考慮してもAC200V回路に余裕を持って連系することができる。
Here, when the output voltage per unit of the
また、昇圧チョッパ部31〜35を燃料電池11〜15と同数設けたことにより、一台のチョッパ部の入力電流値を小さく抑えて、電流による損失値を低下させることも可能である。昇圧チョッパ部の損失値を従来のパワーコンディショナー52(図5参照)とこの実施形態のパワーコンディショナー2とで比較すると、次のようになる。次式では、一つの昇圧チョッパ部のリアクトルLと配線の直流抵抗及びスイッチング素子SWのオン抵抗の合計がR(Ω)であると仮定する。
Further, by providing the same number of
従来のパワーコンディショナー(1台の昇圧チョッパ部)の場合
入力電流 5Kw÷48(V)≒104.2(A)
損失 (104.2)2×R≒10857.6・R(W)
この実施形態のパワーコンディショナー(5台の昇圧チョッパ部)の場合
入力電流 1Kw÷48(V)≒20.8(A)
損失 (20.8)2×R×5≒2163.2R(W)
従って、この実施形態のパワーコンディショナー2によれば、昇圧チョッパ部31〜35の一台あたりの損失を従来のおよそ1/5程度まで低下させることができる。
In the case of a conventional power conditioner (one step-up chopper), the input current is 5 Kw ÷ 48 (V) ≈104.2 (A)
Loss (104.2) 2 × R≈10857.6 · R (W)
In the case of the power conditioner (five step-up chopper units) of this embodiment, the input current is 1 Kw ÷ 48 (V) ≈20.8 (A)
Loss (20.8) 2 × R × 5≈2163.2R (W)
Therefore, according to the
一方、この実施形態の燃料電池給電システムは、各昇圧チョッパ部31〜35の入力電圧(燃料電池11〜15の出力電圧)を別々に検出する電圧検出器41〜45を燃料電池11〜15と昇圧チョッパ部31〜35との間の回路上に備えている。そして、図2のフローチャートに示すように、制御部3が電圧検出器41〜45の検出値に基づいて運転中の燃料電池11〜15の台数を判別し、運転中の燃料電池11〜15に接続された昇圧チョッパ部31〜35に運転台数に応じた出力電圧の目標値を設定するように構成されている。
On the other hand, in the fuel cell power feeding system of this embodiment, the
図2において、まず、制御部3は電圧検出器41〜45の出力に基づいて昇圧チョッパ部31〜35の入力電圧を予め定めた閾値と比較してチェックする(S1)。閾値には例えば燃料電池11〜15の定格出力であるDC48Vを使用でき、燃料電池が運転していると電圧検出値はDC48V以上となり、停止していると0Vとなる。このため、DC48V以上の電圧を出力する燃料電池を運転中と判別し、これに接続された昇圧チョッパ部nの運転を登録し(S2)、DC48V未満の電圧を出力する燃料電池に接続された昇圧チョッパ部31〜35は運転を停止する(S3)。
In FIG. 2, first, the
全部の昇圧チョッパ部31〜35の電圧チェックを完了すると(S4:Yes)、次に、制御部3は運転登録された昇圧チョッパ部に登録台数に応じた出力電圧目標値を設定したのち、そのチョッパ部の昇圧運転を制御する(S5〜S14)。例えば、すべての燃料電池11〜15が運転し、5台の昇圧チョッパ部31〜35が運転登録されている場合に(S5)、各昇圧チョッパ部31〜35の出力電圧目標値をそれぞれDC80Vに設定する(S6)。また、図1に示す一つの燃料電池13が運転し、これに接続された昇圧チョッパ部33のみが運転登録されている場合は(S13)、その出力電圧目標値をDC400Vに設定し(S14)、残り4台の昇圧チョッパ部31,32,34,35を停止した状態で、一台の昇圧チョッパ部33の昇圧運転を制御する。この結果、インバータ部4は昇圧チョッパ部33の出力コンデンサCに蓄えられたDC400Vを+側はダイオードD2,D1を経て、−側はダイオードD5,D4を経て入力することができる。
When the voltage check of all the
従って、この実施形態の燃料電池給電システムによれば、次のような効果が得られる。
(イ)パワーコンディショナー2に燃料電池11〜15と同数の昇圧チョッパ部31〜35を設けたので、個々の昇圧チョッパ部の入力電流を小さくし、パワーコンディショナー2の損失を抑制できる。
(ロ)パワーコンディショナー2の出力が大きくなるほど、昇圧チョッパ部一台あたりの昇圧比が小さくなるため、昇圧運転の制御がしやすくなり、パワーコンディショナー2の動作が安定する。
(ハ)燃料電池部1の保守・点検時に、対象となる燃料電池11〜15に接続された昇圧チョッパ部31〜35のみを停止させることができ、給電システム全体をダウンさせることなく、メンテナンスを支障なく実施できる。
(ニ)運転中の燃料電池11〜15に接続された昇圧チョッパ部31〜35に登録台数に応じた出力電圧目標値を設定するので、給電システムを集合住宅70側の電力需要の変動に合わせて経済的に稼動できる。
(ホ)燃料電池11〜15に1kw程度の普及型電池を使用したので、高価な補機類を共有して燃料電池部1を安価に設備できるとともに、小規模集合住宅の電力需要の変動に的確に対応できる。
Therefore, according to the fuel cell power feeding system of this embodiment, the following effects can be obtained.
(A) Since the same number of
(B) As the output of the
(C) During maintenance and inspection of the fuel cell unit 1, only the
(D) Since the output voltage target value corresponding to the number of registered units is set in the
(E) Since a popular battery of about 1 kW is used for the
尚、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、例えば、燃料電池及び昇圧チョッパ部の台数を電力消費ユニットの規模に応じて増減したり、複数の燃料電池の出力を相違させたりするなど、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で各部の構成を適宜に変更して実施することも可能である。 In addition, this invention is not limited to the said embodiment, For example, the number of fuel cells and a pressure | voltage rise chopper part is increased / decreased according to the scale of an electric power consumption unit, or the output of several fuel cells is made different. For example, the configuration of each part can be changed as appropriate without departing from the spirit of the present invention.
1 燃料電池部
2 パワーコンディショナー
3 制御部
4 インバータ部
5 連系部
11〜15 燃料電池
31〜35 昇圧チョッパ部
41〜45 電圧検出器
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