JP5372313B2 - Power supply system having fuel cell device - Google Patents
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Description
本発明は、燃料電池を有する電源システムに関し、特に、系統電源に連系して使用される電源システムに関する。 The present invention relates to a power supply system having a fuel cell, and more particularly to a power supply system used in connection with a system power supply.
近年、電力消費家(需要家)の場所において、分散電源装置として燃料電池を配備し、燃料電池からの電力と電気事業者の系統電源(商用電源)からの電力とを組み合わせてその電力消費家における電力消費を賄うようにした分散型の電源システムが注目を集めている。 In recent years, a fuel cell has been deployed as a distributed power supply device at the location of a power consumer (customer), and the power consumer combines the power from the fuel cell with the power from the grid power supply (commercial power) of an electric power company. A distributed power supply system that covers power consumption in the world is attracting attention.
燃料電池は直流電力を発生するが、電力消費家の宅内においては系統電源からの交流電力に重畳して負荷に配電する必要があるから、分散電源である燃料電池を系統電源に連系させる必要がある。燃料電池を系統電源に連系させるために、燃料電池が出力する直流電力を交流電力に変換し、その周波数や電圧を系統電源からの電力に適合させるパワーコンディショナが用いられる。 Fuel cells generate DC power, but it is necessary to superimpose AC power from the system power supply and distribute it to the load in the homes of power consumers, so it is necessary to link the fuel cell, which is a distributed power supply, to the system power supply There is. In order to link the fuel cell to the system power supply, a power conditioner that converts DC power output from the fuel cell into AC power and adapts the frequency and voltage to the power from the system power supply is used.
図3は、燃料電池による分散電源を系統電源に連系させて使用するための電源システムの構成を示すブロック図である。 FIG. 3 is a block diagram showing a configuration of a power supply system for using a distributed power supply by a fuel cell in conjunction with a system power supply.
燃料電池を含み交流電力を出力する燃料電池装置81が設けられており、燃料電池装置81の出力は分電盤82に接続している。分電盤82は、逆潮流防止装置15を介して系統電源にも接続し、系統電源からの交流電力と燃料電池装置81の交流電力を同一の配電線を介して負荷に供給する。
A
燃料電池装置81は、炭化水素からなる燃料、例えば灯油やLPG(液化石油ガス)などの燃料を改質して水素を生成する改質器91と、この水素と酸素(空気)とが供給されて発電する燃料電池本体92と、燃料電池本体92で発電された直流電力を交流電力に変換して出力するパワーコンディショナ93とを備えている。燃料電池本体92は、典型的な燃料電池として、水素及び酸素がそれぞれ供給される負極及び正極と、負極及び正極間に配置され水素イオンが透過可能な電解質膜とを備えている。パワーコンディショナ93は、分電盤82を介して入力する系統電源側の交流電力に連系するように、燃料電池本体92からの直流電力を交流電力に変換する。また、改質器91や燃料電池本体92を動作させるためにはヒータによってこれらを所定の温度範囲にまで昇温する必要があり、また、改質器91に燃料を供給するためにはポンプを動作させる必要がある。このように燃料電池装置81の運転のためには、ヒータやポンプなどの各種の補機類を動作させる必要があり、ヒータやポンプなどを動作させるための電力は、パワーコンディショナ93から改質器91や燃料電池本体92に与えられるようになっている。燃料電池装置81が定常運転状態に入ってしまえば、ヒータやポンプのための電力としては、燃料電池本体92が発電した電力の一部が使用される。しかしながら、燃料電池装置81自体の始動(立ち上げ)時には、燃料電池本体92はまだ発電を開始していないので、系統電源から分電盤82を介してパワーコンディショナ93に入力する交流電力からヒータやポンプを動作させるための電力を得るようにしている。
The
ところで系統電源に分散電源を連系させる場合、その分散電源を系統電源からの配電線に接続することになる。そのため分散電源には、電力系統に対して悪影響を及ぼさないことが求められる。特に、分散電源によって発生する電力がその設置場所での電力消費を上回り、系統電力に対して逆潮流が起きる設置状況では、特に厳しい管理が必要とされる。燃料電池を用いた分散電源の場合、逆潮流の発生は禁止されている。そこで、図3に示す電源システムにおいては、系統電源と分電盤82との間に挿入された逆潮流防止装置15によって、系統電源側に向かっては電力が送出されないようにしている。
By the way, when connecting a distributed power supply to a system power supply, the distributed power supply is connected to a distribution line from the system power supply. Therefore, the distributed power source is required not to have an adverse effect on the power system. In particular, strict management is required in an installation situation in which the power generated by the distributed power source exceeds the power consumption at the installation location and a reverse power flow occurs with respect to the system power. In the case of a distributed power source using a fuel cell, the occurrence of reverse power flow is prohibited. Therefore, in the power supply system shown in FIG. 3, the reverse power
燃料電池は、気象条件等によらずに燃料があり続ける限り動作するものであるから、災害時などの非常用電源として有望なものである。しかしながら、分散電源として燃料電池を備え、系統電源と連系させた電源システムは、燃料電池の動作に必要なヒータやポンプを駆動するために、燃料電池の始動時においては系統電源からの電力の供給を必要とする。したがって、災害時など系統電源が停電となっている場合には、このような電源システムを始動させることができないことになる。いいかえれば、系統電源と連系した燃料電池を有する電源システムは、非常用電源装置としては使用できないことになる。 The fuel cell is promising as an emergency power source in the event of a disaster because it operates as long as fuel is present regardless of weather conditions. However, a power source system that includes a fuel cell as a distributed power source and is linked to the system power source drives the heaters and pumps necessary for the operation of the fuel cell. Requires supply. Therefore, such a power supply system cannot be started when the system power supply is out of power, such as during a disaster. In other words, a power supply system having a fuel cell connected to a system power supply cannot be used as an emergency power supply device.
そこで本発明の目的は、燃料電池を有するとともに系統電源に連系する電源システムであって、系統電源が停電しているような場合であっても燃料電池を始動できて自立運転させることが可能な電源システムを提供することにある。 Accordingly, an object of the present invention is a power supply system that has a fuel cell and is linked to a system power supply, and even when the system power supply is out of power, the fuel cell can be started and operated independently. Is to provide a simple power supply system.
本発明の電源システムは、燃料電池本体と、燃料電池本体で発電された直流電力を交流電力に変換するとともに始動用電力が外部から供給される第1の接続端子を備えるパワーコンディショナとを有し、系統電源に連系する燃料電池装置を有する電源システムであって、燃料電池装置と系統電源との間に設けられ、系統電源の停電時に燃料電池装置を系統電源から切り離す機能を有する逆潮流防止装置と、太陽電池と太陽電池からの直流電力を直接出力するための第2の接続端子とを有し、系統電源に連系する太陽光発電装置と、を有し、系統電源の停電時において、太陽光発電装置を系統電源から解列するとともに、取外し可能な配線により第2の接続端子を第1の接続端子に接続することによって太陽光発電装置からの直流電力を始動用電力として燃料電池装置に供給し、燃料電池装置を始動させて自立運転状態とすることを特徴とする。 The power supply system of the present invention includes a fuel cell main body and a power conditioner including a first connection terminal that converts DC power generated by the fuel cell main body into AC power and is supplied with starting power from the outside. And a power supply system having a fuel cell device linked to the system power supply, the reverse power flow provided between the fuel cell device and the system power supply and having a function of disconnecting the fuel cell device from the system power supply in the event of a power failure of the system power supply A solar power generation device having a prevention device, a solar cell and a second connection terminal for directly outputting DC power from the solar cell, and connected to the system power source, and during a power failure of the system power source in, while disconnecting the photovoltaic device from the system power supply, for starting the DC power from the photovoltaic device by connecting the removable interconnection of the second connection terminal to the first connection terminal Is supplied to the fuel cell device as a force, to start the fuel cell system, characterized in that a self-sustaining operation condition.
この電源システムにおいて、燃料電池装置は、例えば、炭化水素を燃料とする燃料電池を有する。太陽光発電装置の定格出力は、燃料電池装置の定格出力1kWあたり、1kW以上10kW未満とすることが好ましい。 In this power supply system, the fuel cell device includes, for example, a fuel cell using hydrocarbon as fuel. The rated output of the photovoltaic power generator is preferably 1 kW or more and less than 10 kW per 1 kW of the rated output of the fuel cell device.
この電源システムにおいても燃料電池装置は、例えば、炭化水素を燃料とする燃料電池を有する。蓄電装置の定格容量は、燃料電池の定格出力1kWあたり、前記100W・h以上300W・h未満とすることが好ましい。 Also in this power supply system, the fuel cell device has, for example, a fuel cell using hydrocarbon as fuel. The rated capacity of the power storage device is preferably 100 W · h or more and less than 300 W · h per 1 kW of the rated output of the fuel cell.
本発明においては、燃料電池装置の起動後、燃料電池装置が定常運転状態になった場合には、始動用電力の燃料電池装置への供給を停止することが好ましい。本発明において用いられる、炭化水素を燃料とする燃料電池は、例えば、燃料として、灯油、LPG(液化石油ガス)、天然ガス、メタンなどを用いるものである。炭化水素を燃料とする燃料電池では、一般に、燃料を改質するための改質器が設けられることとなるので、起動用電力は、例えば、少なくとも、改質器を所定の温度まで上昇させ、燃料電池装置の電極部及び電解質膜を所定の温度まで上昇させるために使用される。 In the present invention, when the fuel cell device is in a steady operation state after the fuel cell device is started, it is preferable to stop the supply of starting power to the fuel cell device. The fuel cell using hydrocarbon as fuel used in the present invention uses, for example, kerosene, LPG (liquefied petroleum gas), natural gas, methane or the like as fuel. In a fuel cell using hydrocarbon as a fuel, a reformer for reforming the fuel is generally provided. Therefore, for example, the starting power is increased to at least a predetermined temperature of the reformer, It is used to raise the electrode part and the electrolyte membrane of the fuel cell device to a predetermined temperature.
本発明では、燃料電池装置を始動するために用いられる始動用電力として、太陽光発電装置から出力される電力あるいは蓄電装置から出力される電力を使用できるようにしているので、燃料電池を有するとともに系統電源に連系する電源システムにおいて系統電源が途絶しているような場合であっても燃料電池装置を始動でき、この燃料電池装置からの発電した電力を負荷に供給できるようになる。したがって、本発明の電源システムは、平常時には系統電源に連系するとともに、災害などの非常時においては、非常用電源として自立運転が可能であり、平常時及び非常時の両方において有用である。 In the present invention, as the starting power used for starting the fuel cell device, the power output from the photovoltaic power generation device or the power output from the power storage device can be used. Even in a case where the system power supply is interrupted in the power supply system connected to the system power supply, the fuel cell apparatus can be started, and the electric power generated from the fuel cell apparatus can be supplied to the load. Therefore, the power supply system of the present invention is linked to the system power supply in normal times, and can be independently operated as an emergency power supply in an emergency such as a disaster, and is useful in both normal times and emergency times.
次に、本発明の好ましい実施の形態について、図面を参照して説明する。 Next, a preferred embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
図1は本発明の実施の一形態の電源システムを示している。この電源システムは、系統電源に連系するものであって、分散電源として、交流電力を出力する燃料電池装置11と、交流電力を出力する太陽光発電装置12とを備えている。
FIG. 1 shows a power supply system according to an embodiment of the present invention. This power supply system is connected to a system power supply, and includes a
燃料電池装置11の出力は分電盤14に接続し、太陽光発電装置12の出力は分電盤16に接続する。分電盤14は、逆潮流防止装置15を介して分電盤16に接続するとともに、負荷に対して電力を供給するための配電線にも接続している。分電盤16は、さらに系統電源にも接続している。逆潮流防止装置15は、燃料電池装置11で発電した電力が系統電源側に供給されることを防ぐとともに、特に、系統電源の停電時には、分電盤16と分電盤14とを電気的に切り離す機能を備えている。この電源システムでは、系統電源からの交流電力と燃料電池装置11からの交流電力と太陽光発電装置12からの交流電力とが、分電盤14を介して、同一の配電線を介して負荷に供給される。
The output of the
燃料電池装置11は、燃料を改質して水素を生成する改質器21と、この水素と酸素(空気)とが供給されて発電する燃料電池本体22と、燃料電池本体92で発電された直流電力を交流電力に変換して出力するパワーコンディショナ23とを備えている。燃料としては、灯油またはLPG(液化石油ガス)または天然ガスが用いられ、したがってこの燃料電池装置11は、炭化水素を燃料とする燃料電池を有することになる。パワーコンディショナ23としては、図3に示した従来の電源システムにおいて用いられるパワーコンディショナ93と同様のものが使用されるが、図1に示すシステムにおけるパワーコンディショナ23は、燃料電池装置の始動のための電力すなわち始動用電力を外部から供給するための接続端子24を備えている点で、図3に示したものと相違している。すなわちパワーコンディショナ23は、系統連系をする必要もあるので、平常時においては、始動用電力を分電盤14を介して供給されるようになっているが、系統電源が停止した場合には、燃料電池装置21の自立運転を可能にするために、系統電源とは別の電源から接続端子24を介して始動用電力を供給されることができるようになっている。接続端子24に供給される始動用電力は例えば直流電力である。
The
改質器21及び燃料電池本体22としては、図3に示した従来のシステムにおける改質器91及び燃料電池本体92と同様のものが使用される。
As the
太陽光発電装置12は、太陽電池31と、太陽電池31で発生した直流電力を交流電力に変換するとともに、太陽光発電装置12を系統電源に連系させるパワーコンディショナ32を備えている。太陽光発電装置12を系統電源に連系させて使用する場合には、逆潮流が許されているので、太陽光発電装置12と系統電源との間には逆潮流防止装置は設けられていない。しかしながら、系統電源側の停電時には逆潮流によって太陽光発電装置12から系統電源側に電力が供給されてはならないので、パワーコンディショナ32は、系統電源の停止(停電)を検出して停電時には太陽光発電装置12を系統電源から解列する機能を備えている。具体的には、パワーコンディショナ32は、太陽電池31から直流電力を交流電力に変換するインバータ回路を備えているが、系列電源の停電時にはこのインバータ回路の動作を停止させるように構成されている。インバータ回路が停止したとしても太陽電池31は光が当たっている限り発電可能であるので、このパワーコンディショナ32は、太陽電池31からの直流電力を直接出力するための接続端子33を備えている。燃料電池装置11側の接続端子24と、太陽光発電装置12側の接続端子33とは、非常用配線13によって取外し可能に接続できるようになっている。平常時にはこれらの接続端子24,33間は接続されない。
The solar
次に、この電源システムの動作を説明する。 Next, the operation of this power supply system will be described.
系統電源が正常に機能している場合には、系統電源からの交流電力と燃料電池装置11からの交流電力と太陽光発電装置12からの交流電力とが、分電盤14を介して負荷に供給される。もし、燃料電池装置11を始動する必要があるとしても、始動用の電力は、系統電源からパワーコンディショナ23に供給される。
When the system power supply is functioning normally, AC power from the system power supply, AC power from the
系統電源が停止すなわち停電したとする。このとき、太陽光発電装置12は系統電源から解列され、また、逆潮流防止装置15によって、分電盤14と分電盤16とが電気的に切り離される。この状態で燃料電池装置11を起動するためには、太陽光発電装置12のパワーコンディショナ32の接続端子33と燃料電池装置11のパワーコンディショナ23の接続端子24との間を非常用配線13で接続し、太陽電池31で発電した直流電力を燃料電池装置11のパワーコンディショナ23に供給すればよい。その結果、パワーコンディショナ23から改質器21及び燃料電池本体22に対して、ヒータやポンプなどを駆動するための電力が供給され、燃料電池装置11を始動させることができる。燃料電池装置11が始動し、定常運転状態に達すれば、非常用配線13を取外し、燃料電池本体22で発電した電力の一部でもってヒータやポンプを動作させるようにすればよい。このようにして、本実施形態では、系統電源が停止している場合であっても燃料電池装置11を始動させて自立運転状態とすることができ、燃料電池装置11で発生した交流電力を、分電盤14を介して負荷に供給することができる。
Assume that the system power supply is stopped, that is, a power failure occurs. At this time, the solar
本実施形態では、燃料電池装置11を確実に始動できるようにするため、太陽光発電装置12の定格出力は、燃料電池装置11の定格出力1kWあたり、1kW以上10kW未満とすることが好ましい。
In the present embodiment, it is preferable that the rated output of the solar
次に、本発明の別の実施形態について電源システムについて、図2を用いて説明する。 Next, a power supply system according to another embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
図2に示した電源システムは、図1に示した電源システムから、太陽光発電装置12及び分電盤16を取り除き、逆潮流防止装置15が系統電源に直接接続するようにしたものである。太陽光発電装置12を取り除いたことにより、系統電源の停電時には燃料電池装置11の始動用電力が得られないこととなるが、図2に示した電源システムでは、非常用配線13を介して蓄電装置17をパワーコンディショナ23に接続し、蓄電装置17に貯えれている直流電力をパワーコンディショナ23に供給することによって、系統電源の停電時にも燃料電池装置11を始動できるようにしている。燃料電池装置11が始動し、定常運転状態に達した後は、蓄電装置17は取外され、あるいは、蓄電装置17からの電力供給は遮断される。太陽光発電装置からの交流電力が負荷に流れないことと、蓄電装置17から始動用電力が供給されることを除けば、この電源システムの動作は、図1に示した電源システムの動作と同様である。
The power supply system shown in FIG. 2 is obtained by removing the photovoltaic
蓄電装置17としては、燃料電池装置11の定格出力1kWあたり、100W・h以上300W・h未満の容量を有するものが好ましく使用される。蓄電装置17は、系統電源の停電に備えるために、系統電源が正常に機能しているときに、予め、充電されている。蓄電装置17は、例えば、鉛蓄電池、ニッケル−水素化金属電池、リチウムイオン電池などの二次電池によって構成される。
As the
11,81 燃料電池装置
12 太陽光発電装置
13 非常用配線
14,16,82 分電盤
15,83 逆潮流防止装置
17 蓄電装置
21,91 改質器
11,92 燃料電池本体
23,32,93 パワーコンディショナ
24,33 接続端子
31 太陽電池
DESCRIPTION OF
Claims (5)
前記燃料電池装置と前記系統電源との間に設けられ、前記系統電源の停電時に前記燃料電池装置を前記系統電源から切り離す機能を有する逆潮流防止装置と、
太陽電池と該太陽電池からの直流電力を直接出力するための第2の接続端子とを有し、前記系統電源に連系する太陽光発電装置と、
を有し、
前記系統電源の停電時において、前記太陽光発電装置を前記系統電源から解列するとともに、取外し可能な配線により前記第2の接続端子を前記第1の接続端子に接続することによって前記太陽光発電装置からの直流電力を前記始動用電力として前記燃料電池装置に供給し、前記燃料電池装置を始動させて自立運転状態とすることを特徴とする、電源システム。 A fuel cell main body, and a power conditioner including a first connection terminal that converts the DC power generated by the fuel cell main body into AC power and is supplied with starting power from the outside. A power supply system having a fuel cell device,
A reverse power flow prevention device provided between the fuel cell device and the system power source, and having a function of disconnecting the fuel cell device from the system power source in the event of a power failure of the system power source ;
A solar power generation device having a solar cell and a second connection terminal for directly outputting DC power from the solar cell, and connected to the system power supply;
Have
At the time of a power failure of the system power supply, the photovoltaic power generation apparatus is disconnected from the system power supply, and the solar power generation is performed by connecting the second connection terminal to the first connection terminal by a removable wiring. the DC power from the device is supplied to the fuel cell system as the starting power, characterized by a self-sustaining operation condition by starting the fuel cell system, the power supply system.
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