JP5841479B2 - 直流電源システム - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池装置及び蓄電池を備えた直流電源システムに関する。

通信システム設備では、災害時などに発生する停電の対策として、蓄電池を備えている。蓄電池は、通常時は交流電源（商用電源）から出力される交流電源を整流器で整流した直流電力により浮動充電されており、交流電源が停電したときに、放電して通信システム設備に給電する。この蓄電池は、例えば震災が発生した場合など、長時間の停電に対応できることが望まれている。このような要望に対して、蓄電池を増設することが対策の一つとして挙げられる。しかしながら、蓄電池を増設しようとすると、どうしても増設スペースの確保などが必要となるため、全ての環境において対応できないといった問題がある。

このような問題に関して、近年では、燃料電池装置が注目されている。燃料電池装置は、ＬＰＧおよびメタノール等の燃料を改質して水素を抽出し、酸素との化学反応で発電して電力を供給する。燃料電池装置に用いられる燃料は、蓄電池よりもエネルギー密度が体積的にも重量的にも高いため、燃料電池装置では、小型の装置構成であっても長時間のバックアップが可能とされている。

ところで、直流電源システムでは、通常時には整流器から出力される所定の電圧値の出力電圧で負荷に給電すると共に、蓄電池を浮動充電している。そして、直流電源システムでは、停電が発生すると蓄電池から放電して負荷に給電が開始されるが、蓄電池の放電電圧は、図５に示すように、蓄電池の内部抵抗によりどうしても整流器から出力される出力電圧（例えば、４８Ｖ）よりも低くなると共に、時間の経過と共に徐々に低下する。そのため、通常時に負荷に給電される電圧値と、停電時に蓄電池から放電される電圧値とに差が生じるといった問題があった。給電電圧の差が大きくなると、通信システム設備の動作が不安定になる懼れがある。

このような問題に関して、例えば特許文献１に記載の直流電源装置では、整流器と負荷との間にシリコンドロッパ（ダイオード）を設けると共に、蓄電池と負荷との間にバイパスコンダクタ（スイッチ）を設けている。このような構成により、この直流電源装置では、通常時は整流器からの出力電圧の電圧値を高めに設定した電圧で蓄電池を浮動充電しつつ、シリコンドロッパにて電圧降下を生じさせて所定の電圧値で負荷に給電している。そのため、蓄電池の内部抵抗により電圧降下が生じた場合でも、放電電圧の電圧値を所定の電圧値に近づけることができる。このように、この直流電源装置では、高めに設定された電圧値で蓄電池を浮遊充電することにより、放電電圧と整流器の出力電圧との差を補償し、電圧変動の緩和を図っている。

特開２００２−１８６１８０号公報

ところで、上記の燃料電池装置では、燃料を改質して水素を抽出するためには改質器を所定の温度まで上昇させる必要がある。そのため、停電時に迅速にバックアップに対応するためには、燃料電池装置において改質器を常時保温しておく必要がある。そのため、燃料電池装置では、改質器の保温のために、常時電力が消費されている。

また、上記特許文献１の直流電源装置のように、シリコンドロッパ方式により電圧を補償する構成では、ダイオードによる電圧降下分だけ電力を損失している。したがって、燃料電池装置と蓄電池とを備える直流電源システムでは、電力損失について更なる改善が求められている。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、電力損失を低減できる直流電源システムを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明に係る直流電源システムは、燃料電池装置と、交流電力を直流電力に変換して出力する整流器と、整流器から出力される直流電力により浮動充電される蓄電池とを備え、負荷に接続される直流電源システムであって、燃料電池装置には、改質器を保温するための電熱器が設けられており、整流器の出力側と電熱器の一端側とを電気的にバイパスすると共に、電熱器の他端側と負荷の入力側とを電気的にバイパスするバイパス経路を備え、電熱器において、整流器から出力される出力電圧を所定の電圧値だけ電圧降下させることを特徴とする。

この直流電源システムでは、燃料電池システムにおいて改質器を保温するための電熱器が設けられており、整流器の出力側と電熱器の一端側とを電気的にバイパスすると共に、電熱器の他端側と負荷の入力側とを電気的にバイパスするバイパス経路を備えている。そして、電熱器において、整流器から出力される出力電圧を所定の電圧値だけ電圧降下させる。このような構成により、電熱器において電圧降下を生じさせるため、整流器の出力電圧の電圧値を高く設定して蓄電池を浮動充電でき、放電電圧と出力電圧との電圧差を補償することができる。また、従来では電圧を補償するために損失していた電力を、燃料電池装置の改質器を保温するため電熱器の電力として用いることができる。したがって、電力を有効活用することが可能となり、電力損失を低減できる。

蓄電池の入出力側と負荷の入力側との間にはスイッチが設けられており、スイッチは、交流電力の出力が停止される停電時にオンにされる。このような構成によれば、交流電源が停電になったときに、蓄電池から負荷に対して好適に給電ができる。

燃料電池装置は交流電力の出力が停止される停電時に起動され、停電時に燃料電池装置から負荷に電力を供給する。このような構成によれば、交流電源が停電になったときに、燃料電池装置から負荷に対して好適に給電ができる。したがって、蓄電池と燃料電池装置とにより負荷に給電ができるため、停電時でも負荷を安定的に動作させることが可能となる。

本発明によれば、電力損失を低減できる。

一実施形態に係る直流電源システムの構成を示す図である。 燃料電池装置の構成を示す図である。 直流電源システムの動作を説明するための図である。 直流電源システムの動作を説明するための図である。 負荷に入力される給電電圧の変動を示す図である。

以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、図面の説明において同一又は相当要素には同一符号を付し、重複する説明は省略する。

図１は、一実施形態に係る直流電源システムの構成を示す図である。図１に示すように、直流電源システム１は、整流器３と、蓄電池５と、燃料電池装置７とを含んで構成されている。直流電源システム１には、負荷９が接続されている。負荷９は、燃料電池装置７、整流器３及び蓄電池５に対して並列に接続されている。本実施形態では、負荷９は、例えば通信システム設備である。

整流器３には、交流電源２が接続されている。整流器３は、交流電源２から入力される交流電力を直流電力に変換して出力する。整流器３の出力側である一端側には、ラインＬ１が接続されており、ラインＬ１を介して直流電力が出力される。整流器３の他端側は、ラインＬ２を介してグランドＧに接続（接地）されている。

蓄電池５は、例えば鉛蓄電池である。蓄電池５の入出力側である一端側は、ラインＬ３を介してラインＬ１と接続されている。これにより、蓄電池５は、通常時においては、整流器３から出力された直流電力がラインＬ１及びラインＬ３を介して入力されて浮動充電される。また、蓄電池５は、停電時においてはラインＬ３及びライン１を介して放電する。蓄電池５の他端側は、ラインＬ４を介してグランドＧに接続されている。なお、ここでいう通常時とは、交流電源２から交流電力が出力されている状態、すなわち交流電源２が停電していない状態である。

図２は、燃料電池装置の構成を示す図である。図２に示すように、燃料電池装置７は、原燃料を水蒸気改質して水素を含有する改質ガスを生成する燃料改質器１１と、燃料改質器１１によって生成された改質ガス及び空気を電気化学的に発電反応させる例えば固体酸化物形燃料電池（Solid Oxide Fuel Cell：ＳＯＦＣ）スタック（以下、燃料電池スタック）１３と、発電した電力の電圧を調整するＤＣ／ＤＣコンバータ１５とを含んで構成されている。燃料電池装置７は、原燃料として例えばメタノール、灯油、ＬＰＧ、都市ガス等の水素原子を含む燃料を用いて発電を行う。なお、燃料電池装置７は、図示しない脱硫器、熱交換器、凝縮器、及び制御装置などを更に備えている。

燃料改質器１１は、脱硫された燃料を水蒸気と改質触媒で水蒸気改質反応させて、水素を含有する水蒸気改質ガスを生成する。燃料改質器１１は、生成した水蒸気改質ガスを燃料電池スタック１３に供給する。燃料改質器１１には、電熱器１７が設けられている。電熱器１７は、燃料改質器１１を保温する機能を有している。電熱器１７は、例えば可変抵抗にて構成されており、整流器３から出力される出力電圧に対して所定の電圧値だけ電圧降下が生じるように設定されている。所定の電圧値は、例えば４Ｖである。電熱器１７では、例えば電圧降下が４Ｖで電流値が５０Ａ程度の場合、２００Ｗ程度の熱エネルギーを提供する。

図１及び図２に示すように、電熱器１７の一端側には、第１バイパスライン（バイパス経路）ＢＬ１が接続されており、電熱器１７の他端側には、第２バイパスライン（バイパス経路）ＢＬ２が接続されている。第１バイパスラインＢＬ１は、ラインＬ１に接続されており、整流器３の出力側と電熱器１７の一端側とを電気的にバイパスする。第２バイパスラインＢＬ２は、負荷９の入力側と電熱器１７の他端側とを電気的にバイパスする。第２バイパスラインＢＬ２とラインＬ１との間には、スイッチＳＷが設けられている。

具体的には、スイッチＳＷは、ラインＬ１における第１バイパスラインＢＬ１及びラインＬ３の接点よりも上流側と、第２バイパスラインＢＬ２におけるラインＬ７（第２バイパスラインＢＬ２と負荷９の入力側とを接続するライン）との接点よりも下流側との間に設けられている。スイッチＳＷは、交流電源２が停電したときに「オン」にされる。スイッチＳＷがオンとなると、ラインＬ１と第２バイパスラインＢＬ２とが電気的に導通する。

燃料電池スタック１３は、複数の電池セルが積み重ねられて構成されており、燃料改質器１１で生成された改質ガスを用いて発電を行い、発電した電力をＤＣ／ＤＣコンバータ１５に出力する。

ＤＣ／ＤＣコンバータ１５は、燃料電池スタック１３から出力された電力の直流電圧を所定の電圧値（例えば、４８Ｖ程度）に変換して負荷９に出力する。ＤＣ／ＤＣコンバータ１５の出力側には、負荷９の入力側（ラインＬ７）に接続されるラインＬ５が接続されている。また、ＤＣ／ＤＣコンバータ１５は、ラインＬ６を介してグランドＧに接続されている。

このような構成を有する燃料電池装置７は、交流電源２が停電したときに起動される。すなわち、燃料電池装置７は、交流電源２からの出力が停止されると、燃料電池スタック１３により発電が開始され、ＤＣ／ＤＣコンバータ１５から直流電力が出力される。

続いて、直流電源システム１の動作について、図３及び図４を参照しながら説明する。図３及び図４は、直流電源システムの動作を説明するための図である。

最初に、直流電源システム１の通常時の動作について説明する。図３に示すように、直流電源システム１の通常時、すなわち交流電源２から交流電力が出力されている状態では、整流器３から例えば５２Ｖの出力電圧が出力される。この出力電圧は、負荷９の定格電圧（ここでは、例えば４８Ｖ）よりも高く設定されている。蓄電池５には、５２Ｖの充電電圧にて浮動充電される。また、第１バイパスラインＢＬ１を介して電熱器１７に出力電圧が入力されると、電熱器１７において電圧降下が生じる。この電熱器１７では、４Ｖの電圧降下が生じるように設定されている。これにより、負荷９には、第２バイパスラインＢＬ２を介して電圧値４８Ｖの給電電圧が入力される。

次に、直流電源システム１の停電時の動作について説明する。図４に示すように、交流電源２が停電して交流電源２からの出力が停止した場合には、直流電源システム１では、スイッチＳＷがオンにされる。これにより、蓄電池５から負荷９に対して放電が開始される。このとき、蓄電池５からの放電電圧の電圧値は、蓄電池５の内部抵抗などにより電圧降下が生じ、４８Ｖ程度とされる。また、交流電源２が停電すると、燃料電池装置７が起動され、燃料電池装置７から負荷９に対して給電が開始される。なお、交流電源２が復電すると、スイッチＳＷがオフにされ、蓄電池５に浮動充電が開始される。

以上説明したように、本実施形態では、燃料電池装置７において燃料改質器１１を保温するための電熱器１７を有しており、整流器３の出力側と電熱器１７の一端側とを電気的にバイパスする第１バイパスラインＢＬ１と、電熱器１７の他端側と負荷９の入力側とを電気的にバイパスする第２バイパスラインＢＬ２とを備えている。そして、電熱器１７において、整流器３から出力される出力電圧を所定の電圧値だけ電圧降下させる。

このような構成により、本実施形態では、電熱器１７において電圧降下を生じさせるため、整流器３の出力電圧の電圧値を高く設定した充電電圧で蓄電池５を浮動中でき、放電電圧と出力電圧との電圧差を補償することができる。また、従来では電圧を補償するために損失していた電力を、燃料電池装置７の燃料改質器１１を保温するため電熱器１７の電力として用いることができる。したがって、電力を有効活用することが可能となり、電力損失を低減できる。

また、本実施形態では、上述のように燃料電池装置７の燃料改質器１１が常時保温されているため、燃料電池装置７の起動を迅速に行うことができる。したがって、停電に対してバックアップ対応を迅速に実施できる。その結果、停電時においても負荷９（通信システム設備）を安定的に動作させることが可能となる。

また、本実施形態では、蓄電池５の出力側と負荷９との間にスイッチＳＷを設けており、停電時にスイッチＳＷをオンにする。これにより、停電が発生すると同時に、負荷９に給電できる。

以上、本発明をその実施形態に基づいて詳細に説明した。しかし、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。本発明は、その要旨を逸脱しない範囲で様々な変形が可能である。例えば、上記実施形態では、燃料電池装置７を１台備える形態について説明したが、燃料電池装置７は複数台備えられてもよい。

１…直流電源システム、３…整流器、５…蓄電池、７…燃料電池装置、９…負荷、１１…燃料改質器、１７…電熱器、ＢＬ１，ＢＬ２…第１及び第２バイパスライン（バイパス経路）、ＳＷ…スイッチ。

Claims (3)

1. 燃料電池装置と、交流電力を直流電力に変換して出力する整流器と、前記整流器から出力される前記直流電力により浮動充電される蓄電池とを備え、負荷に接続される直流電源システムであって、
   前記燃料電池装置には、改質器を保温するための電熱器が設けられており、
   前記整流器の出力側と前記電熱器の一端側とを電気的にバイパスすると共に、前記電熱器の他端側と前記負荷の入力側とを電気的にバイパスするバイパス経路を備え、
   前記電熱器において、前記整流器から出力される出力電圧を所定の電圧値だけ電圧降下させることを特徴とする直流電源システム。
2. 前記蓄電池の入出力側と前記負荷の入力側との間にはスイッチが設けられており、
   前記スイッチは、前記交流電力の出力が停止される停電時にオンにされることを特徴とする請求項１記載の直流電源システム。
3. 前記燃料電池装置は前記交流電力の出力が停止される前記停電時に起動され、
   前記停電時に前記燃料電池装置から前記負荷に電力を供給することを特徴とする請求項２記載の直流電源システム。

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