JP5618816B2 - Fuel cell power generation system - Google Patents
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Description
本発明の実施形態は、燃料電池発電システムに関する。 Embodiments described herein relate generally to a fuel cell power generation system.
近年、地球温暖化が大きな話題となり、二酸化炭素排出量に注目が集まっている。このような状況下で、都市ガス又はＬＰＧ(liquefied petroleum gas)などを原燃料とする燃料電池発電システムが実用化されている。特に、家庭用の小容量燃料電池発電システムの普及が広まっている。燃料電池発電システムは、原燃料から水素を取り出し、空気中の酸素と反応させることにより発電を行うシステムである。 In recent years, global warming has become a big topic, and attention is focused on carbon dioxide emissions. Under such circumstances, fuel cell power generation systems using city gas or LPG (liquefied petroleum gas) as raw fuel have been put into practical use. In particular, the spread of small-capacity fuel cell power generation systems for home use is widespread. A fuel cell power generation system is a system that generates power by extracting hydrogen from raw fuel and reacting it with oxygen in the air.
燃料電池発電システムでは、原燃料の処理及びシステム内部の補機の動作等をさせる必要がある。例えば、補機は、空気を供給するためのポンプ及びブロワなどである。一般的に、燃料電池が発電を開始する前は、補機の動力を商用電力系統から供給する。また、燃料電池の発電開始後は、燃料電池の発電により供給することが多い。燃料電池発電システムには、補機の電源を供給する２つの方式がある。１つは、燃料電池発電システム内の系統連系インバータの交流側（即ち、商用電力系統）から供給する方式である。もう１つは、燃料電池発電システム内の系統連系インバータの直流側（即ち、燃料電池）から供給する方式である。また、補機が使用可能な電圧範囲と、商用電力系統又は燃料電池から供給される電圧は、必ずしも一致しない。従って、これらのシステムでは、電圧を調整するため、補機電源用のＡＣ／ＤＣ（交流／直流）コンバータ又はＤＣ／ＤＣ（直流／直流）コンバータが用いられることが多い。 In a fuel cell power generation system, it is necessary to process raw fuel, operate auxiliary equipment in the system, and the like. For example, the auxiliary machine is a pump and a blower for supplying air. Generally, before the fuel cell starts power generation, the power of the auxiliary machine is supplied from the commercial power system. Further, after the start of power generation by the fuel cell, the fuel cell is often supplied by power generation. There are two types of fuel cell power generation systems that supply power to auxiliary equipment. One is a method of supplying from the AC side (that is, the commercial power system) of the grid-connected inverter in the fuel cell power generation system. The other is a method of supplying from the direct current side (that is, the fuel cell) of the grid interconnection inverter in the fuel cell power generation system. Further, the voltage range in which the auxiliary machine can be used does not necessarily match the voltage supplied from the commercial power system or the fuel cell. Therefore, in these systems, an AC / DC (AC / DC) converter or a DC / DC (DC / DC) converter for auxiliary power supply is often used to adjust the voltage.
また、家庭用の小容量燃料電池発電システムにおいては、補機が直流駆動である場合が多い。このため、燃料電池が発電を開始した後に、系統連系インバータの交流出力から補機電源を供給する場合、系統連系インバータにより変換された交流をＡＣ／ＤＣコンバータを用いて再度直流に変換する必要がある。このような電力変換は、損失が大きい。従って、システムの効率が低下する。そこで、補機電源を、商用電力系統と燃料電池とで切り換えて供給する燃料電池発電システムが提案されている。 Moreover, in a small-capacity fuel cell power generation system for home use, the auxiliary machine is often DC-driven. For this reason, when the auxiliary power is supplied from the AC output of the grid-connected inverter after the fuel cell has started power generation, the AC converted by the grid-connected inverter is converted back to DC using the AC / DC converter. There is a need. Such power conversion has a large loss. Therefore, the efficiency of the system is reduced. Therefore, a fuel cell power generation system that supplies auxiliary power by switching between a commercial power system and a fuel cell has been proposed.
しかしながら、補機電源の供給元を切り換えると、切り替え時に燃料電池の発電出力が急激に変化することになる。例えば、補機電源の供給元を商用電力系統から燃料電池に切り換えた場合、燃料電池の発電出力は、増加する方向に変化する。このような燃料電池の発電出力の増加は、燃料電池スタックの電圧を低下させ、燃料電池発電システムが停止に至ったり、燃料電池スタックの特性悪化の原因になったりする。 However, when the supply source of the auxiliary machine power supply is switched, the power generation output of the fuel cell changes rapidly at the time of switching. For example, when the supply source of the auxiliary power source is switched from the commercial power system to the fuel cell, the power generation output of the fuel cell changes in an increasing direction. Such an increase in the power generation output of the fuel cell lowers the voltage of the fuel cell stack, causing the fuel cell power generation system to stop or causing deterioration of the characteristics of the fuel cell stack.
一方、燃料ガスや酸化剤ガスの一時的な供給低下でも、燃料電池スタックの電圧低下が生じる。このような場合において、補機電源の供給元を燃料電池から商用電力系統に切り換えると、再度燃料電池に切り換える必要があるため、前述の切り替えと同様の問題が生じる。 On the other hand, even when the supply of fuel gas or oxidant gas temporarily decreases, the voltage of the fuel cell stack decreases. In such a case, if the supply source of the auxiliary machine power source is switched from the fuel cell to the commercial power system, it is necessary to switch back to the fuel cell.
そこで、本発明の実施形態による目的は、燃料電池の出力の変動を抑制することのできる燃料電池発電システムを提供することにある。 Accordingly, an object of an embodiment of the present invention is to provide a fuel cell power generation system that can suppress fluctuations in the output of the fuel cell.
本発明の実施形態の観点に従った燃料電池発電システムは、燃料電池と、前記燃料電池の発電に用いられる補機と、前記燃料電池により発電された電力を電力系統と連系するための交流電力に変換する系統連系用電力変換手段と、前記電力系統から供給される交流電力を前記補機に供給するために直流電力に変換する順変換手段と、前記補機に電力を供給する供給元を前記燃料電池と前記電力系統との間で切り換える切換手段と、前記切換手段により電力の供給元を前記電力系統から前記燃料電池に切り換える場合、前記系統連系用電力変換手段の出力電力を低下させる制御をする出力電力低下制御手段とを備える。 A fuel cell power generation system according to an aspect of an embodiment of the present invention includes a fuel cell, an auxiliary device used for power generation of the fuel cell, and an alternating current for linking power generated by the fuel cell with a power system. Grid connection power conversion means for converting to electric power, forward conversion means for converting AC power supplied from the power system to DC power to supply the auxiliary equipment, and supply for supplying power to the auxiliary equipment and switching means for switching the original between said fuel cell and the electric power system, when switching the power supply source by the switching means to the fuel cell from the power system, the output power of the power conversion means for the system interconnection Output power reduction control means for controlling to reduce.
本発明によれば、燃料電池の出力の変動を抑制することができる。 According to the present invention, fluctuations in the output of the fuel cell can be suppressed.
以下図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池発電システム２０の構成を示す構成図である。なお、以降の図における同一部分には同一符号を付してその詳しい説明を省略し、異なる部分について主に述べる。以降の実施形態も同様にして重複する説明を省略する。
(First embodiment)
FIG. 1 is a configuration diagram showing a configuration of a fuel cell
燃料電池発電システム２０は、燃料電池１と、ＤＣ／ＤＣコンバータ２と、系統連系インバータ３と、燃料処理装置４と、切換回路５と、ＡＣ／ＤＣコンバータ６と、直流電圧検出器７と、制御装置８と、補機電源用ＤＣ／ＤＣコンバータ９と、補機１０とを備えている。
The fuel cell
燃料電池発電システム２０は、商用電力系統２１と系統連系する。燃料電池発電システム２０は、商用電力系統２１とともに、負荷２２に電力を供給する。
The fuel cell
燃料処理装置４には、原燃料が導入される。燃料処理装置４は、原燃料から水素リッチなガスを生成する。原燃料は、都市ガス又はＬＰＧなどである。燃料処理装置４は、生成した水素リッチなガスを燃料電池１に送り込む。
Raw fuel is introduced into the
燃料電池１には、酸化剤ガスである酸素を含む空気と、燃料処理装置４により生成された水素リッチなガスが導入される。燃料電池１は、酸素及び水素リッチなガスの電気化学反応により、直流電力を発生させる。燃料電池１は、発生させた直流電力をＤＣ／ＤＣコンバータ２及び切換回路５に供給する。
The fuel cell 1 is introduced with oxygen-containing air, which is an oxidant gas, and hydrogen-rich gas generated by the
ＤＣ／ＤＣコンバータ２は、燃料電池１と接続されている。ＤＣ／ＤＣコンバータ２は、燃料電池１から供給された直流電力を一定電圧（例えば、３００［Ｖ］程度）に調整する。ＤＣ／ＤＣコンバータ２は、電圧を調整した直流電力を系統連系インバータ３に供給する。
The DC /
系統連系インバータ３の直流側は、ＤＣ／ＤＣコンバータ２の出力側と接続されている。系統連系インバータ３の交流側は、商用電力系統２１及び負荷２２と接続されている。系統連系インバータ３は、ＤＣ／ＤＣコンバータ２から供給された直流電力を、制御装置８から受信する電力指令信号に基づいて、商用電力系統２１と同期する交流電力に変換（逆変換）する。具体的には、系統連系インバータ３は、商用電力系統２１の系統電圧と位相及び振幅が一致するように、出力する交流電力を制御する。これにより、系統連系インバータ３は、商用電力系統２１と同期する系統連系運転を行う。系統連系インバータ３は、変換した交流電力を商用電力系統２１と連系して、負荷２２に供給する。例えば、負荷２２は、家庭内の負荷である。また、系統連系インバータ３は、出力する交流電力（又は、交流電流）を発電出力情報として、制御装置８に送信する。
The direct current side of the grid interconnection inverter 3 is connected to the output side of the DC /
ＡＣ／ＤＣコンバータ６の交流側は、系統連系インバータ３と商用電力系統２１とを接続するラインに接続されている。ＡＣ／ＤＣコンバータ６は、商用電力系統２１（又は、系統連系インバータ３）から供給される交流電力を直流電力に変換（順変換）する。ＡＣ／ＤＣコンバータ６は、変換した直流電力を切換回路５に供給する。
The AC side of the AC /
切換回路５は、燃料電池１から供給される交流電力と、ＡＣ／ＤＣコンバータ６から供給される直流電力がそれぞれ入力される。切換回路５は、燃料電池１とＡＣ／ＤＣコンバータ６のいずれか一方の供給元を選択する。切換回路５は、制御装置８から受信する切換え信号により、接続する供給元を切り換える。切換回路５は、選択した供給元の直流電力を補機電源用ＤＣ／ＤＣコンバータ９に供給する。
The switching circuit 5 receives AC power supplied from the fuel cell 1 and DC power supplied from the AC /
補機電源用ＤＣ／ＤＣコンバータ９の入力側は、切換回路５の出力側と接続されている。補機電源用ＤＣ／ＤＣコンバータ９は、切換回路５により選択された供給元の直流電力を補機１０に適合する電圧に調整する。補機電源用ＤＣ／ＤＣコンバータ９は、電圧を調整した直流電力を補機１０に供給する。
The input side of the auxiliary power supply DC /
補機１０は、燃料電池発電システム２０の内部にある機器である。補機１０は、燃料電池１が発電をするために必要とされる各種機器である。補機１０は、空気、水、及び燃料を供給するためのポンプ及びブロワ、又は各種の計測器などである。なお、補機１０は、燃料電池発電システム２０を構成する複数の機器が該当するが、ここでは、これら全ての機器を総称して補機１０とする。
The
直流電圧検出器７は、燃料電池１の出力側に接続されている。直流電圧検出器７は、燃料電池１の出力電圧を検出する。直流電圧検出器７は、検出した直流電圧を電圧検出信号として、制御装置８に出力する。
The DC voltage detector 7 is connected to the output side of the fuel cell 1. The DC voltage detector 7 detects the output voltage of the fuel cell 1. The DC voltage detector 7 outputs the detected DC voltage as a voltage detection signal to the
制御装置８は、燃料電池発電システム２０を構成する各機器等を制御する。制御装置８は、直流電圧検出器７により検出された電圧検出信号及び系統連系インバータ３から送信された発電出力情報を受信する。制御装置８は、受信した電圧検出信号及び発電出力情報に基づいて、系統連系インバータ３に電力指令信号を、切換回路５に切換え信号をそれぞれ出力する。これにより、制御装置８は、系統連系インバータ３及び切換回路５を制御する。この他にも、制御装置８は、補機１０などを制御する。
The
次に、燃料電池発電システム２０の通常時の動作について説明する。初めに、燃料電池１の発電開始前の動作を説明する。
Next, the normal operation of the fuel cell
商用電力系統２１は、負荷２２及びＡＣ／ＤＣコンバータ６に交流電力を供給する。切換回路５は、ＡＣ／ＤＣコンバータ６側（即ち、商用電力系統２１側）に接続されている。補機電源用ＤＣ／ＤＣコンバータ９は、切換回路５及びＡＣ／ＤＣコンバータ６を介して、商用電力系統２１から電源用の電力が供給される。補機電源用ＤＣ／ＤＣコンバータ９は、電圧を調整した直流電力を補機１０に電源として供給する。
The
次に、燃料電池１の発電開始後の動作を説明する。 Next, the operation after the start of power generation of the fuel cell 1 will be described.
燃料電池１に、燃料処理装置４により原燃料から生成された水素リッチなガス及び酸化剤として酸素を含む空気が供給されると、燃料電池１は、電気化学的反応により直流電力を発生する。燃料電池１は、発生させた直流電力をＤＣ／ＤＣコンバータ２を介して、系統連系インバータ３に供給する。系統連系インバータ３は、供給された直流電力を商用電力系統２１と同期する交流電力に変換する。これにより、系統連系インバータ３は、商用電力系統２１と系統連系運転を行う。その結果、燃料電池１により発電された電力は、負荷２２に供給される。
When the fuel cell 1 is supplied with hydrogen-rich gas generated from the raw fuel by the
燃料電池１の発電出力が安定すると、制御装置８は、補機１０への電源供給を商用電力系統２１から燃料電池１に切り換える。
When the power generation output of the fuel cell 1 is stabilized, the
次に、補機１０への電源供給を商用電力系統２１から燃料電池１に切り換える動作について説明する。
Next, the operation of switching the power supply to the
図２は、本実施形態に係る制御装置８による電力指令信号を演算するための発電出力Ｐｇと推定消費電力Ｐｓとの関係を示す特性図である。横軸は、発電出力Ｐｇを示している。縦軸は、推定消費電力Ｐｓを示している。発電出力Ｐｇは、系統連系インバータ３から出力される電力量である。推定消費電力Ｐｓは、補機電源用ＤＣ／ＤＣコンバータ９により消費されていると推定される電力量である。
FIG. 2 is a characteristic diagram showing a relationship between the power generation output Pg and the estimated power consumption Ps for calculating the power command signal by the
制御装置８は、図２に示す特性カーブにより、系統連系インバータ３から受信した発電出力情報に含まれる発電出力Ｐｇに基づいて、補機電源用ＤＣ／ＤＣコンバータ９の推定消費電力Ｐｓを演算する。例えば、発電出力Ｐｇ［Ｗ］に対応する推定消費電力Ｐｓ［Ｗ］を演算する場合、図２に示すように、特性カーブ上の点の横軸の座標を発電出力Ｐｇ［Ｗ］とした場合の縦軸の座標が推定消費電力Ｐｓ［Ｗ］となる。
The
制御装置８は、演算した推定消費電力Ｐｓを系統連系インバータ３への現在の電力指令値から減算する。制御装置８は、この推定消費電力Ｐｓを減算した値を新たな電力指令値とする電力指令信号として、系統連系インバータ３に出力する。また、制御装置８は、推定消費電力Ｐｓを減算した新たな電力指令値を系統連系インバータ３に出力するともに、ほぼ同時に、切換回路５を商用電力系統２１側から燃料電池１側に切り換えるための切換え信号を切換回路５に出力する。
The
ここで、制御装置８による切換回路５の切換え前と切換え後の燃料電池１の出力電力の変化について説明する。切換え前の燃料電池１の出力電力をＰｂ、切換え後の燃料電池１の出力電力をＰａ、切換え前の系統連系インバータ３の発電電力をＰｇ、補機電源用ＤＣ／ＤＣコンバータ９の推定消費電力をＰｓ、補機電源用ＤＣ／ＤＣコンバータ９の実際の消費電力Ｐｈとすると、切換え前は式（１）が、切換え後は式（２）がそれぞれ成り立つ。
Here, changes in the output power of the fuel cell 1 before and after switching of the switching circuit 5 by the
Ｐｂ≒Ｐｇ …（１）
Ｐａ≒Ｐｇ−Ｐｓ＋Ｐｈ …（２）
上記の２式から分かるように、燃料電池１の出力電力は、切換え前と切換え後では、補機電源用ＤＣ／ＤＣコンバータ９の推定消費電力と実際の消費電力との誤差（Ｐｈ−Ｐｓ）分の電力しか変化しない。
Pb≈Pg (1)
Pa≈Pg−Ps + Ph (2)
As can be seen from the above two equations, the output power of the fuel cell 1 is an error (Ph−Ps) between the estimated power consumption and the actual power consumption of the auxiliary power source DC /
即ち、制御装置８は、切換回路５が商用電力系統２１側から燃料電池１側へ切換わることにより、燃料電池１の出力電力の推定される増加量である消費電力量分Ｐｓを、切換回路５の切換えとほぼ同時に、連系インバータ３の出力電力から低下させる。これにより、燃料電池１の出力電力は、切換えにより増加する補機電源用ＤＣ／ＤＣコンバータ９の消費電力と、減算した推定消費電力Ｐｓが相殺される。これにより、制御装置８は、切換回路５の切換えによる燃料電池１の出力電力の変動を抑制する。ここで、切換回路５を切換えるタイミングと、連系インバータ３の出力を低下させるタイミングは、０．５秒以内が望ましい。これは、発電出力の急変により生じる電池電圧の低下は、燃料ガス（水素）及び空気（酸素）の欠乏により生じるものであるため、これらの物質移動が生じる前に完了させることで、電圧低下を最小限に抑えることができるためである。
That is, the
次に、燃料電池１の電圧が低下した場合の制御装置８の動作について説明する。
Next, the operation of the
酸化剤ガスや、水素リッチなガスの供給に一時的な変化が発生すると、燃料電池１の電圧が一時的に低下することがある。これは、水、空気、又は原燃料などのプロセス系の異常が原因である。このような異常の場合、短時間で復活する場合も多い。一方、燃料電池１の電池特性の経時的な劣化や、燃料電池の電解質膜の異常のような場合には、燃料電池１の電圧低下は、短時間では復活することはない。従って、このような異常の場合、一般的には、燃料電池１の電圧が低下した状態が継続する。一方、燃料電池１を停止させると、燃料電池の特性が低下することが一般的であるため、一時的に燃料電池１の電圧が低下した場合は、発電を停止させずに、発電を継続させる方が燃料電池１の特性低下を防止することができる。 When a temporary change occurs in the supply of the oxidant gas or the hydrogen-rich gas, the voltage of the fuel cell 1 may temporarily decrease. This is due to abnormalities in the process system such as water, air, or raw fuel. Such an abnormality often revives in a short time. On the other hand, when the battery characteristics of the fuel cell 1 deteriorate over time or the electrolyte membrane of the fuel cell is abnormal, the voltage drop of the fuel cell 1 does not recover in a short time. Therefore, in the case of such an abnormality, generally, the state where the voltage of the fuel cell 1 is lowered continues. On the other hand, when the fuel cell 1 is stopped, the characteristics of the fuel cell generally decrease. Therefore, if the voltage of the fuel cell 1 temporarily decreases, the power generation is continued without stopping the power generation. This can prevent deterioration of the characteristics of the fuel cell 1.
次に、燃料電池１の電圧低下が発生した場合の制御装置８の動作について説明する。
Next, the operation of the
図３は、本実施形態に係る燃料電池１の電池電流と電池電圧の関係を示す特性図である。 FIG. 3 is a characteristic diagram showing the relationship between the battery current and the battery voltage of the fuel cell 1 according to this embodiment.
ここで、切換回路５は、燃料電池１側が選択されているものとする。 Here, it is assumed that the switching circuit 5 is selected on the fuel cell 1 side.
制御装置８は、直流電圧検出器７により検出された電圧検出信号に基づいて、燃料電池１の電池電圧を計測する。制御装置８は、計測している電池電圧が閾値となる電圧Ｖ１を下回った場合、燃料電池１に異常が発生したと判断する。制御装置８は、燃料電池１に異常が発生したと判断した場合、系統連系インバータ３の出力電力を低下させる制御をする。例えば、制御装置８は、系統連系インバータ３の出力電力を、２００［Ｗ］のような固定の電力値分を低下させても良いし、毎秒１０［Ｗ］のような一定の割合で低下させても良い。
The
系統連系インバータ３の出力電力が低下すると、燃料電池１の出力電力も低下する。一般的には、燃料電池１の出力電力を低下させることにより、燃料電池１の電池電圧は上昇する。図３に示すＶ−Ｉ平面で説明すると、電池電圧が電圧Ｖ１を下回り、領域Ａ１に属していた出力点が、燃料電池１の出力電力の低下により、領域Ａ５又は領域Ａ６に移る。これにより、燃料電池１の電池電圧は上昇する。 When the output power of the grid interconnection inverter 3 decreases, the output power of the fuel cell 1 also decreases. Generally, the battery voltage of the fuel cell 1 increases by reducing the output power of the fuel cell 1. If it demonstrates on the VI plane shown in FIG. 3, the battery voltage will fall below the voltage V1, and the output point which belonged to area | region A1 will move to area | region A5 or area | region A6 by the fall of the output power of the fuel cell 1. FIG. Thereby, the battery voltage of the fuel cell 1 rises.
制御装置８は、系統連系インバータ３の出力電力を低下させても、燃料電池１の電池電圧が上昇せずに、電圧Ｖ１より低い電圧Ｖ２の閾値を下回った場合、系統連系インバータ３の出力電力をさらに低下させる。例えば、制御装置８は、系統連系インバータ３の出力電力を、４００［Ｗ］のような、より大きい電力値分を低下させても良いし、毎秒１００［Ｗ］のような、より速い速度の割合で低下させても良い。これにより、燃料電池１の出力電力がより早く低下するため、燃料電池１の出力点が、より早く領域Ａ５又は領域Ａ６まで低下する。
Even if the output power of the grid interconnection inverter 3 is decreased, the
制御装置８は、燃料電池１の電池電圧が電圧Ｖ２を下回った後に、さらに系統連系インバータ３の出力電力を低下させても、燃料電池１の電池電圧が上昇せず、電圧Ｖ２より低い電圧Ｖ３の閾値を下回った場合、さらに燃料電池１の発電出力を低下させるために、切換回路５を燃料電池１側からＡＣ／ＤＣコンバータ６側に切り換える。この結果、燃料電池１の発電出力から補機１０の消費電力分の出力電力が低下する。これにより、燃料電池１の発電出力がさらに低下し、さらに早く領域Ａ５又は領域Ａ６まで低下するようになる。
Even if the output power of the grid interconnection inverter 3 is further reduced after the battery voltage of the fuel cell 1 falls below the voltage V2, the
制御装置８は、切換回路５を燃料電池１側からＡＣ／ＤＣコンバータ６側に切換えても、燃料電池１の電池電圧が上昇せず、電圧Ｖ３より低い閾値の電圧Ｖ４を下回った場合（燃料電池１の出力点が領域Ａ４に移行した場合）、燃料電池１による発電の継続が困難であると判断し、燃料電池１の発電を停止させる。
Even when the switching circuit 5 is switched from the fuel cell 1 side to the AC /
一方、制御装置８は、切換回路５を燃料電池１側からＡＣ／ＤＣコンバータ６側に切換えた後、燃料電池１の発電出力が安定した状態になったと判断した場合、切換回路５をＡＣ／ＤＣコンバータ６側から燃料電池１側に再度切り換える。また、制御装置８は、この切換回路５の切換え時に、燃料電池１の発電開始後の動作と同様に、現在の系統連系インバータ３の出力電力から推定消費電力Ｐｓ分低下するように、系統連系インバータ３を制御する。
On the other hand, if the
このように、燃料電池１の電池電圧が低下した後に、電池電圧が再度上昇する場合の燃料電池１の状況としては、例えば、酸化剤ガス又は水素リッチなガスの供給量に一時的な変化が生じたことが原因の場合が考えられる。このような場合、系統連系インバータ３の出力電力を低下させたり、切換回路５により、補機１０の消費電力分の出力電力を低下させたりすることで、燃料電池１の電池電圧の低下は止まる。また、酸化剤ガス又は水素リッチなガスの供給量の一時的な変化が解消すれば、燃料電池１の電池電圧は、上昇を始める。
As described above, as a situation of the fuel cell 1 when the battery voltage increases again after the battery voltage of the fuel cell 1 decreases, for example, there is a temporary change in the supply amount of the oxidant gas or the hydrogen-rich gas. It may be caused by the occurrence. In such a case, the battery voltage of the fuel cell 1 is reduced by reducing the output power of the grid interconnection inverter 3 or by reducing the output power corresponding to the power consumption of the
従って、燃料電池１の電池電圧が低下後に、燃料電池１の発電出力が安定した状態になったと制御装置８が判断する条件としては、例えば、燃料電池１の電池電圧が電圧Ｖ１よりさらに高い電圧Ｖ５の閾値を上回り、かつ、この高い電池電圧の状態が所定時間安定して継続することである。
Therefore, as a condition for the
本実施形態によれば、以下の作用効果を得ることができる。 According to this embodiment, the following effects can be obtained.
燃料電池発電システム２０では、切換回路５のＡＣ／ＤＣコンバータ６（商用電力系統２１）側から燃料電池１側への切換え時に、系統連系インバータ３の出力電力を低下させることで、切換回路５の切換えにより生じる燃料電池１の出力電力の急変を抑制することができる。従って、燃料電池１の出力電力の急変により、燃料電池１の発電が停止したり、電池特性に悪影響を及ぼしたりすることを防止することができる。
In the fuel cell
また、プロセス系の要因によって、一時的に燃料電池１の電池電圧が低下した場合、燃料電池１の出力電力を低下させるために、系統連系インバータ３の出力電力を低下させることで、電池電圧を回復させるようにすることができる。また、系統連系インバータ３の出力電力を低下させても、燃料電池１の電池電圧が回復しない場合、切換回路５を商用電力系統２１側に切り換えることで、燃料電池１の出力電力を補機１０の消費電力分低下させることができる。これにより、さらに電池電圧を回復させ易くすることができる。従って、燃料電池１の電池電圧が低下することにより、燃料電池１の発電が停止したり、燃料電池１の電池特性に悪影響を及ぼしたりすることを防止することができる。
Further, when the battery voltage of the fuel cell 1 temporarily decreases due to a process system factor, in order to reduce the output power of the fuel cell 1, the output power of the grid interconnection inverter 3 is reduced to reduce the battery voltage. Can be made to recover. Further, if the battery voltage of the fuel cell 1 does not recover even when the output power of the grid interconnection inverter 3 is reduced, the output power of the fuel cell 1 is changed to the auxiliary power by switching the switching circuit 5 to the
さらに、系統連系インバータ３の出力電力の低下及び切換回路５による切換えでも、燃料電池１の電池電圧が回復しない場合、発電継続が不可能な異常状態と判断して、燃料電池１を停止させる。これにより、燃料電池１を発電継続が不可能な異常状態で運転することにより、燃料電池１の電池特性に及ぼす悪影響が増大することを防止することができる。 Furthermore, if the battery voltage of the fuel cell 1 does not recover even when the output power of the grid-connected inverter 3 is reduced and the switching circuit 5 switches, the fuel cell 1 is stopped by determining that the power generation cannot be continued. . Thereby, it is possible to prevent an adverse effect on the cell characteristics of the fuel cell 1 from increasing by operating the fuel cell 1 in an abnormal state where power generation cannot be continued.
（第２の実施形態）
図４は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池発電システム２０Ａの構成を示す構成図である。
(Second Embodiment)
FIG. 4 is a configuration diagram showing a configuration of a fuel cell
燃料電池発電システム２０Ａは、図１に示す第１の実施形態に係る燃料電池発電システム２０において、ＡＣ／ＤＣコンバータ６をトランス６１及び整流器６２に代えている。その他は、第１の実施形態と同様である。
In the fuel cell
トランス６１の１次側は、系統連系インバータ３と商用電力系統２１とを接続するラインに接続されている。トランス６１の２次側は、整流器６２の交流側と接続されている。トランス６１は、商用電力系統２１から供給される交流電力の電圧を補機電源用ＤＣ／ＤＣコンバータ９に適合するように変圧する。トランス６１は、変圧した交流電力を整流器６２に供給する。
The primary side of the
整流器６２は、トランス６１により変圧された交流電力を直流電力に変換する。整流器６２は、変換した直流電力を切換回路５に供給する。
The
本実施形態によれば、以下の作用効果を得ることができる。 According to this embodiment, the following effects can be obtained.
商用電力系統２１の電圧が変化すると、切換回路５に入力される直流電圧は変動する。しかし、切換回路５の出力側に補機電源用ＤＣ／ＤＣコンバータ９が設置されているため、切換回路５に入力される直流電力は一定の安定した電圧でなくてもよい。従って、交流電力を直流電力に変換するために、第１の実施形態に係るＡＣ／ＤＣコンバータ６のようなＡＣ／ＤＣ安定化電源を必ずしも設ける必要はない。
When the voltage of the
そこで、ＡＣ／ＤＣコンバータ６の代わりに、トランス６１と整流器６２による単純な構成を設けることで、商用電力系統２１から補機１０に供給するまでの電力の変換効率を高くすることができる。また、ＡＣ／ＤＣコンバータ６を設けるよりも、低コストで燃料電池発電システム２０Ａを構成することができる。
Therefore, by providing a simple configuration with the
（第３の実施形態）
図５は、本発明の第３の実施形態に係る燃料電池発電システム２０Ｂの構成を示す構成図である。
(Third embodiment)
FIG. 5 is a configuration diagram showing a configuration of a fuel cell
燃料電池発電システム２０Ｂは、図１に示す第１の実施形態に係る燃料電池発電システム２０において、直流電流検出器１１を設け、制御装置８の代わりに制御装置８Ｂを設けている。その他は、第１の実施形態と同様である。
In the fuel cell
直流電流検出器１１は、補機電源用ＤＣ／ＤＣコンバータ９の出力側に接続されている。直流電流検出器１１は、補機電源用ＤＣ／ＤＣコンバータ９の出力電流を検出する。直流電流検出器１１は、検出した直流電流を電流検出信号として制御装置８Ｂに出力する。
The DC current detector 11 is connected to the output side of the auxiliary power supply DC /
制御装置８Ｂは、第１の実施形態に係る制御装置８において、系統連系インバータ３の発電電力Ｐｇに基づいて、補機電源用ＤＣ／ＤＣコンバータ９の推定消費電力Ｐｓを演算する代わりに、直流電流検出器１１により検出された電流検出信号に基づいて、補機電源用ＤＣ／ＤＣコンバータ９の消費電力を推定する。その他の点は、第１の実施形態に係る制御装置８と同様である。
Instead of calculating the estimated power consumption Ps of the auxiliary power supply DC /
制御装置８Ｂは、直流電流検出器１１から受信する電流検出信号に基づいて、補機電源用ＤＣ／ＤＣコンバータ９の出力電流（補機１０に流れる電流）を計測する。制御装置８Ｂは、計測した電流及び予め記憶されている補機電源用ＤＣ／ＤＣコンバータ９の出力電圧に基づいて、補機１０の総消費電力を演算する。制御装置８Ｂは、補機１０の総消費電力及び補機電源用ＤＣ／ＤＣコンバータ９の変換効率に基づいて、補機電源用ＤＣ／ＤＣコンバータ９の消費電力を推定する。制御装置８Ｂは、第１の実施形態と同様に、切換回路５の切換え時に、系統連系インバータ３の出力電力を推定した補機電源用ＤＣ／ＤＣコンバータ９の消費電力分低下させるように制御する。
Based on the current detection signal received from DC current detector 11,
本実施形態によれば、補機電源用ＤＣ／ＤＣコンバータ９の出力電流を検出することで、第１の実施形態と同様の作用効果を得ることができる。
According to the present embodiment, by detecting the output current of the auxiliary power supply DC /
なお、各実施形態において、切換回路５の切換え制御（例えば、切換回路５への切換え信号の出力）と、系統連系インバータ３の出力電力を低下させる制御（例えば、系統連系インバータ３への電力指令信号の出力）とのどちらを先に行ってもよい。短時間であれば、燃料電池１の出力電力を急変させても問題ない。 In each embodiment, switching control of the switching circuit 5 (for example, output of a switching signal to the switching circuit 5) and control for reducing the output power of the grid interconnection inverter 3 (for example, to the grid interconnection inverter 3) Either of the power command signal output) may be performed first. There is no problem even if the output power of the fuel cell 1 is suddenly changed for a short time.
また、各実施形態において、燃料電池１の電池電圧の低下により、切換回路５を燃料電池１側からＡＣ／ＤＣコンバータ６側に切換えた後、再度、切換回路５をＡＣ／ＤＣコンバータ６側から燃料電池１側に切り換える際において、制御装置８は、系統連系インバータ３の出力電力から推定消費電力Ｐｓ分低下するように、系統連系インバータ３を制御しなくてもよい。これは、燃料電池１側からＡＣ／ＤＣコンバータ６側に切り換える前に、電圧回復を目的とした出力低減が行われており、この時点での燃料電池１の発電電力は低いことが多いためである。さらに、燃料電池１の発電電力が低い時の補機１０の消費電力は、図２に示すような一般的な特性から、低いことが多い。従って、この場合では、切換回路５の切換えによる燃料電池１の発電出力の増加量は小さい。よって、系統連系インバータ３の出力電力から推定消費電力Ｐｓ分低下させなくても、燃料電池１に与える影響も少ないためである。
In each embodiment, the switching circuit 5 is switched from the fuel cell 1 side to the AC /
さらに、第１の実施形態及び第２の実施形態において、補機電源用ＤＣ／ＤＣコンバータ９による推定消費電力量Ｐｓを、系統連系インバータ３の発電出力Ｐｇに基づいて、算出したが、これに限らない。系統連系インバータ３の発電出力Ｐｇの代わりに、燃料電池１の出力電流又は発電電力、又は、ＤＣ／ＤＣコンバータ２の出力電流又は発電電力を用いて、図２と同様の特性カーブを作成してもよい。これにより、系統連系インバータ３の発電出力Ｐｇを用いた場合と同様に、推定消費電力Ｐｓを演算することができる。
Furthermore, in the first embodiment and the second embodiment, the estimated power consumption Ps by the auxiliary power supply DC /
また、第３の実施形態において、第１の実施形態に係る燃料電池発電システム２０を基本構成として説明したが、第２の実施形態に係る燃料電池発電システム２０Ａを基本構成としてもよい。即ち、第３の実施形態において、ＡＣ／ＤＣコンバータ６を第２の実施形態に係るトランス６１と整流器６２による構成とすることで、第２の実施形態と同様の作用効果を得ることができる。
In the third embodiment, the fuel cell
さらに、第３の実施形態において、補機電源用ＤＣ／ＤＣコンバータ９の出力電流を計測して、補機電源用ＤＣ／ＤＣコンバータ９の推定消費電力を演算したが、補機電源用ＤＣ／ＤＣコンバータ９に入力される電流を計測して、補機電源用ＤＣ／ＤＣコンバータ９の推定消費電力を演算してもよい。補機電源用ＤＣ／ＤＣコンバータ９に入力される電流に変換効率を掛けることで、同様に、補機電源用ＤＣ／ＤＣコンバータ９（又は、補機１０）の推定消費電力を演算することができる。また、補機電源用ＤＣ／ＤＣコンバータ９の出力電圧は、制御装置８Ｂに予め記憶されていることとしたが、直流電圧検出器を設けて計測した電圧を用いてもよい。これにより、より正確な補機１０の消費電力を推定することができる。さらに、直流電流検出器１１の代わりに、直流電力検出器を設けてもよい。この直流電力検出器は、補機電源用ＤＣ／ＤＣコンバータ９の入力側と出力側のいずれに設けても、第３の実施形態と同様の構成とすることができる。
Furthermore, in the third embodiment, the output current of the auxiliary power supply DC /
また、各実施形態において、燃料電池１の電圧が低下した場合に、系統連系インバータ３の出力電力を低下させる電力量又は速度（割合）などの度合いを、閾値である電圧Ｖ１，Ｖ２毎に予め決められた値としたが、燃料電池１の電圧値に基づいて連続的に求まる値としてもよい。例えば、直流電圧検出器７により計測された電圧値に基づいて、低下させる電力値又は速度などの度合いを演算してもよい。 In each embodiment, when the voltage of the fuel cell 1 decreases, the amount of power or speed (ratio) that decreases the output power of the grid-connected inverter 3 is set for each of the threshold voltages V1 and V2. Although the value is determined in advance, it may be a value obtained continuously based on the voltage value of the fuel cell 1. For example, the degree of power value or speed to be reduced may be calculated based on the voltage value measured by the DC voltage detector 7.
さらに、各実施形態において、燃料電池発電システムは、商用電力系統２１と連系させる構成としたが、商用電力系統２１以外の電力系統と連系させてもよい。
Furthermore, in each embodiment, the fuel cell power generation system is configured to be linked to the
なお、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。 In addition, although some embodiment of this invention was described, these embodiment is shown as an example and is not intending limiting the range of invention. These novel embodiments can be implemented in various other forms, and various omissions, replacements, and changes can be made without departing from the scope of the invention. These embodiments and modifications thereof are included in the scope and gist of the invention, and are included in the invention described in the claims and the equivalents thereof.
１…燃料電池、２…ＤＣ／ＤＣコンバータ、３…系統連系インバータ、４…燃料処理装置、５…切換回路、６…ＡＣ／ＤＣコンバータ、７…直流電圧検出器、８…制御装置、９…補機電源用ＤＣ／ＤＣコンバータ、１０…補機、２０…燃料電池発電システム、２１…商用電力系統、２２…負荷。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Fuel cell, 2 ... DC / DC converter, 3 ... Grid connection inverter, 4 ... Fuel processing apparatus, 5 ... Switching circuit, 6 ... AC / DC converter, 7 ... DC voltage detector, 8 ... Control apparatus, 9 ... DC / DC converter for auxiliary power supply, 10 ... auxiliary machine, 20 ... fuel cell power generation system, 21 ... commercial power system, 22 ... load.
Claims (12)
前記燃料電池の発電に用いられる補機と、
前記燃料電池により発電された電力を電力系統と連系するための交流電力に変換する系統連系用電力変換手段と、
前記電力系統から供給される交流電力を前記補機に供給するために直流電力に変換する順変換手段と、
前記補機に電力を供給する供給元を前記燃料電池と前記電力系統との間で切り換える切換手段と、
前記切換手段により電力の供給元を前記電力系統から前記燃料電池に切り換える場合、前記系統連系用電力変換手段の出力電力を低下させる制御をする出力電力低下制御手段と
を備えたことを特徴とする燃料電池発電システム。 A fuel cell;
An auxiliary machine used for power generation of the fuel cell;
Grid connection power conversion means for converting the power generated by the fuel cell into AC power for connection to a power system;
Forward conversion means for converting AC power supplied from the power system into DC power to supply the auxiliary machine,
And switching means for switching between a supply source for supplying power to the auxiliary machine and the fuel cell electric power system,
When the switching means switches the power supply source from the power system to the fuel cell, it comprises output power reduction control means for controlling the output power of the grid interconnection power conversion means. Fuel cell power generation system.
前記出力電力低下制御手段は、前記切換手段により電力の供給元を前記電力系統から前記燃料電池に切り換える場合、前記系統連系用電力変換手段の出力電力から前記増加量演算手段により演算された前記増加量を低下させる制御をすること
を特徴とする請求項１に記載の燃料電池発電システム。 An increase amount calculation means for calculating an increase amount of output power of the fuel cell estimated when the power supply source is switched from the power system to the fuel cell by the switching means;
The output power reduction control means, when the power supply source is switched from the power system to the fuel cell by the switching means, is calculated by the increase amount calculation means from the output power of the grid interconnection power conversion means The fuel cell power generation system according to claim 1, wherein control is performed to reduce the increase amount.
を特徴とする請求項２に記載の燃料電池発電システム。 The fuel cell power generation system according to claim 2, wherein the increase amount calculation means calculates the power consumption of the auxiliary machine as the estimated increase amount of the output power of the fuel cell.
を特徴とする請求項２に記載の燃料電池発電システム。 3. The fuel according to claim 2, wherein the increase amount calculation unit calculates an estimated increase amount of the output power of the fuel cell based on an output electric amount of the grid interconnection power conversion unit. Battery power generation system.
池の出力電力の増加量を演算すること
を特徴とする請求項２に記載の燃料電池発電システム。 3. The fuel cell power generation system according to claim 2, wherein the increase amount calculation means calculates an estimated increase amount of the output power of the fuel cell based on an output electricity amount of the fuel cell.
前記出力電力低下制御手段は、前記直流電圧検出手段により検出される直流電圧が所定電圧より低い場合、前記系統連系用電力変換手段の出力電力を低下させる制御をすること
を特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の燃料電池発電システム。 DC voltage detecting means for detecting a DC voltage output from the fuel cell;
The output power reduction control means controls to reduce the output power of the grid interconnection power conversion means when the DC voltage detected by the DC voltage detection means is lower than a predetermined voltage. The fuel cell power generation system according to any one of claims 1 to 5.
前記直流電圧検出手段により検出される直流電圧が所定電圧より低い場合、前記切換手段により電力の供給元を前記燃料電池から前記電力系統に切り換える制御をする切換制御手段と
を備えたことを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の燃料電池発電システム。 DC voltage detecting means for detecting a DC voltage output from the fuel cell;
Switching control means for controlling the switching of the power supply source from the fuel cell to the electric power system by the switching means when the DC voltage detected by the DC voltage detecting means is lower than a predetermined voltage. The fuel cell power generation system according to any one of claims 1 to 6.
を備えたことを特徴とする請求項６または請求項７に記載の燃料電池発電システム。 8. The fuel cell power generation according to claim 6, further comprising a power generation stop unit that stops power generation of the fuel cell when the DC voltage detected by the DC voltage detection unit is lower than a predetermined voltage. 9. system.
前記電力系統から供給される交流電力を変圧する変圧器と、
前記変圧器により変圧された交流電力を直流電力に変換する整流器とを含むこと
を特徴とする請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の燃料電池発電システム。 The forward conversion means includes
A transformer for transforming AC power supplied from the power system;
The fuel cell power generation system according to any one of claims 1 to 8, further comprising: a rectifier that converts alternating current power transformed by the transformer into direct current power.
前記切換回路を前記電力系統から前記燃料電池に切り換える場合、前記系統連系用電力変換器の出力電力を低下させること
を特徴とする燃料電池発電システムの制御方法。 Auxiliary equipment used to convert the power generated by the fuel cell to AC power to be connected to the power system by the grid connection power converter, and to use the AC power supplied from the power system for power generation of the fuel cell converted into DC power for supply to a control method for controlling a fuel cell power generation system provided with a switching circuit for switching between the fuel cell and the electric power system as a supply source for supplying power to the auxiliary machine ,
When the switching circuit is switched from the power system to the fuel cell, the output power of the grid interconnection power converter is reduced.
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