JP5975254B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。

従来の燃料電池システムとしては、例えば特許文献１に記載されているように、水素含有燃料を用いて発電を行う燃料電池部（燃料電池スタック）と、燃料電池の動作を制御する制御部（マイクロコンピュータ）と、電力を蓄電する蓄電部（二次電池）と、を備えたものが知られている。この燃料電池システムでは、外部電力負荷を停止することなく蓄電部の充電を行うことが可能とされている。

特許第４７９９０２６号公報

ところで、上述したような燃料電池システムでは、燃料電池部が外部電力系統の電力と連系して外部電力負荷へ電力供給する系統連系運転を実施する場合がある。この場合、例えば系統連系規程にも規定されているように、保安面上の観点等から、外部電力系統の電力停止時（停電時）に燃料電池部が単独で運転を継続しないよう燃料電池部の出力を外部電力系統から解列することが要される。よって、制御部は、通常、燃料電池部が連系する連系対象の電力（以下、単に「連系電力」ともいう）の停止が検出された場合に燃料電池部の出力を連系対象から解列させる単独運転防止機能を有している。

ここで、近年このような燃料電池システムでは、例えば停電時において、燃料電池部が蓄電部の電力と連系して外部電力負荷へ電力供給する自立運転をさらに実施させることが図られている。しかしこの場合、燃料電池部が自立運転されているとき、燃料電池部が意図せずに解列されてしまうことがあり、安定した発電を行うことが困難になるおそれがある。

本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであり、系統連系運転及び自立運転が可能な燃料電池システムにおいて安定した発電を行うことを課題とする。

上記課題を解決するため、燃料電池部が自立運転されているとき、制御部の単独運転防止機能が燃料電池部の動作に悪影響を及ぼし、燃料電池部の動作を不安定にしていることを見出した。具体的には、単独運転防止機能は、燃料電池部が発電する電力の周波数に変動を与え、その周波数変化に基づいて系統電力が停止しているか否かを検出するという周波数シフト方式等の能動方式を有している。よって、系統連系運転時には単独運転防止機能が正常に機能する場合でも、自立運転時には、単独運転防止機能が連系電力の停止を誤検出し燃料電池部を誤解列してしまう場合があることが判明した。そこで、かかる誤検出を抑止できれば安定した発電を行うことが可能になることに想到し、本発明に完成するに至った。

すなわち、本発明の燃料電池システムは、水素含有燃料を用いて発電を行う燃料電池部と、燃料電池の動作を制御する制御部と、電力を蓄電する蓄電部と、を備え、燃料電池部は、外部電力系統の電力と連系して外部電力負荷へ電力供給する系統連系運転と、蓄電部の電力と連系して外部電力負荷へ電力供給する自立運転と、で切替え可能に構成されており、制御部は、燃料電池部が連系する連系対象の電力の停止が検出された場合に燃料電池の出力を当該連系対象から解列させる能動方式の単独運転防止機能を有すると共に、燃料電池部が自立運転されている間のみ、単独運転防止機能を停止状態にすること、を特徴とする。

この本発明の燃料電池システムでは、燃料電池部が自立運転されているとき、単独運転防止機能を停止状態にする（単独運転防止機能をマスクさせる）ことができ、上述した単独運転防止機能による悪影響を抑止することができる。従って、本発明によれば、系統連系運転及び自立運転が可能な燃料電池システムにおいて、安定した発電を行うことが可能となる。なお、能動方式は、周波数シフト方式である場合がある。

また、燃料電池部は、外部電力系統の電力が停止した場合に自立運転へ切り替えられることが好ましい。この場合、外部電力系統の電力停止時にて、燃料電池部を自立運転させ、外部電力負荷へ電力を安定供給することができる。

また、燃料電池部は、外部電力系統の電力が復電した時点から所定時間が経過するまで間、自立運転を継続し、制御部は、外部電力系統の電力が復電した時点から所定時間が経過するまでの間、単独運転防止機能の停止状態を維持することが好ましい。この場合、復電後の所定時間には、安全確保のために、自立運転が継続されると共に単独運転防止機能の停止状態が維持されることになる。

ここで、上記作用効果を好適に奏する構成として、具体的には、蓄電部は、制御部へ指令信号を出力し、制御部は、蓄電部から指令信号が入力されている間のみ、単独運転防止機能を停止状態とする構成が挙げられる。

また、制御部は、燃料電池部が連系する電力の電圧不足が検出された場合に燃料電池部の出力を連系対象から解列させる不足電圧検出機能と、燃料電池部が連系する電力の周波数不足が検出された場合に燃料電池部の出力を連系対象から解列させる不足周波数検出機能と、を有している。この場合、燃料電池部の自立運転時において、蓄電部の電力が所定以下となると、不足電圧検出機能及び不足周波数検出機能により燃料電池部の出力が蓄電部から解列される。

本発明によれば、系統連系運転及び自立運転が可能な燃料電池システムにおいて安定した発電を行うことが可能となる。

一実施形態に係る燃料電池システムを示す概略ブロック図である。 図１の燃料電池システムにおけるマスク指令信号のインターフェイスを示す回路図である。 図１の燃料電池システムの動作を説明するためのタイムチャートである。 図１の燃料電池システムにおけるマスク指令信号の応答についての確認試験結果を示すグラフである。

以下、本発明の好適な実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、以下の説明において同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明を省略する。

図１は、本発明の一実施形態に係る燃料電池システムを示す概略ブロック図である。図１に示すように、燃料電池システム１は、例えば家庭用の電力供給源として用いられるものであり、燃料電池ユニット１０と、蓄電ユニット２０と、開閉器３０と、を備えている。この燃料電池システム１は、燃料電池ユニット１０の発電電力を外部電力系統ＣＥの系統電力と連系させ、外部電力負荷としての室内分電盤ＥＩへ電力供給する（以下、「系統連系運転」という）。また、燃料電池システム１は、燃料電池ユニット１０の発電電力を蓄電ユニット２０の蓄電電力と連系させ、室内分電盤ＥＩへ電力供給する（以下、「自立運転」という）。

燃料電池ユニット１０は、固体酸化物型（ＳＯＦＣ：Solid Oxide Fuel Cell）の燃料電池であるＳＯＦＣ（燃料電池部）１１と、ＳＯＦＣ１１の動作を制御するＰＣＳ（Power Conditioning System，パワーコンディショナ）１２と、後述のマスク指令信号（指令信号）を受信する信号入力回路１３と、を備え、室内分電盤ＥＩに電路５０を介して接続されている。

ＳＯＦＣ１１は、水素含有燃料及び酸化剤を用いて発電を行うものであり、例えば０．７ｋＷの電力を出力する。なお、燃料電池の種類は、固体酸化物型に限定されず、例えば、固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ：Polymer Electrolyte Fuel Cell）、リン酸形燃料電池（ＰＡＦＣ：PhosphoricAcid Fuel Cell）、溶融炭酸塩形燃料電池（ＭＣＦＣ：Molten Carbonate Fuel Cell）、及び、その他の種類を採用することができる。

水素含有燃料としては、例えば、炭化水素系燃料が用いられる。炭化水素系燃料としては、分子中に炭素と水素とを含む化合物（酸素等、他の元素を含んでいてもよい）若しくはそれらの混合物が用いられる。炭化水素系燃料としては、例えば、炭化水素類、アルコール類、エーテル類、バイオ燃料が挙げられ、これらの炭化水素系燃料は従来の石油・石炭等の化石燃料由来のもの、合成ガス等の合成系燃料由来のもの、バイオマス由来のものを適宜用いることができる。

具体的には、炭化水素類として、メタン、エタン、プロパン、ブタン、天然ガス、ＬＰＧ（液化石油ガス）、都市ガス、タウンガス、ガソリン、ナフサ、灯油、軽油が挙げられる。アルコール類として、メタノール、エタノールが挙げられる。エーテル類として、ジメチルエーテルが挙げられる。バイオ燃料として、バイオガス、バイオエタノール、バイオディーゼル、バイオジェットが挙げられる。酸化剤としては、例えば、空気、純酸素ガス（通常の除去手法で除去が困難な不純物を含んでもよい）、酸素富化空気が用いられる。

ＰＣＳ１２は、ＳＯＦＣ１１で発生した電力の調整を行う電力調整機能を有している。具体的には、ＰＣＳ１２は、ＳＯＦＣ１１から出力された直流電力の電圧を変圧するＤＣ／ＤＣコンバータ、及び、変圧された電力を直流から交流へ変換するインバータ等を含んで構成されている。また、このＰＣＳ１２は、不足電圧検出機能と、不足周波数検出機能と、単独運転防止機能と、を少なくとも有している。そこで、これらの機能について、以下に詳細に説明する。

不足電圧検出機能は、ＳＯＦＣ１１が連系する連系対象の電力（以下、「連係電力」ともいう）の電圧不足（所定電圧に対する低下）が検出された場合に、燃料電池ユニット１０の出力を連系対象から解列させるものであり、不足電圧リレー（ＵＶＲ）が用いられている。不足周波数検出機能は、連系電力の周波数不足（所定周波数に対する低下）が検出された場合に燃料電池ユニット１０の出力を連系対象から解列させるものであり、周波数低下リレー（ＵＦＲ）が用いられている。

単独運転防止機能は、連系電力の停止が検出された場合に、ＳＯＦＣ１１が単独で運転しないように当該ＳＯＦＣ１１の出力を連系対象から解列させる機能である。特にこの単独運転防止機能によれば、系統連系運転時において、外部電力系統ＣＥの電力が停止された停電時には工事保安上から発電させてはならないという規程に対応することができる。これは、例えば、外部電力系統ＣＥから解列されない状態で燃料電池ユニット１０が単独運転を継続していると、本来無電圧であるべき外部電力系統ＣＥが充電されてしまう。よって、作業者が感電するおそれが高まったり、事故が生じている場合には事故点に電力を供給し続けることになり被害が拡大したり、等するおそれがあるためである。

この単独運転防止機能としては、能動方式のものが用いられており、ここでは、周波数シフト方式が用いられている。この単独運転防止機能では、まず、インバータの制御系等により、外部電力負荷に応じた電流の周波数で発電電力を能動的に常時変動させる。続いて、例えばＰＣＳ１２の出口付近において、電圧の周波数変化を検出する。そして、検出した周波数変化に基づいて連系電力が停止しているか否かを検出し、当該電力の停止を検出した場合には、ＳＯＦＣ１１の出力を連系対象から解列させる。なお、能動方式とは、インバータが出力電流に何らかの擾乱を加え、その擾乱によって交流電圧に擾乱が発生するか否かによって停電の有無を判定するという方式である。能動方式としては、周波数シフト方式以外に、無効電力変動方式、有効電力変動方式、同期高調波注入方式、位相シフト方式、及び次数間高調波注入方式等を例示することができる。

また、このＰＣＳ１１は、信号入力回路１３に接続されており、当該信号入力回路１３からのマスク指令信号の入力に応じて単独運転防止機能をマスクし、これにより、自立運転時の単独運転防止機能を停止状態にする（詳しくは、後述）。図２に示すように、信号入力回路１３は、マスク指令信号の入力により作動するフォトカプラ１２ａ、抵抗Ｒ１，Ｒ２を含んで構成されている。

図１に示すように、蓄電ユニット２０は、電力を蓄電するための蓄電部を構成するものであり、バッテリ２１、インバータ２２、信号出力回路２３及び停電検出器２７を備えている。バッテリ２１は、所定容量（例えば、３ｋＷ）の直流二次電源を構成する。バッテリ２１として、燃料電池ユニット１０の起動に要するエネルギーを担保可能な容量以上のものを用いると、停電時において燃料電池ユニット１０をコールドスタートで自立運転させることができる。

インバータ２２は、バッテリ２１の電力を直流から交流へ変換する。また、インバータ２２は、マスク指令信号となるＤＣ５Ｖの直流電圧を信号出力回路２３へ供給する。信号出力回路２３は、自立運転時に、ＤＣ５Ｖの直流電圧のアナログ信号であるマスク指令信号を信号入力回路１３へ出力する。図２に示すように、信号出力回路２３は、オフディレイタイマ２３ａと、フィルタ回路２６（抵抗Ｒ３及びコンデンサＣ）とを含んで構成されており、信号入力回路１３に配線２５を介して接続されている。このインバータ２２は、外部電力系統ＣＥ及び燃料電池ユニット１０に対するバッテリ２１の接続を制御する開閉器２４を有している。

オフディレイタイマ２３ａは、停電検出器２７からの入力がＯＮになると同時に出力をＯＮとする一方、停電検出器２７からの入力がＯＦＦになった後に所定時間ｔ１（ここでは、ｔ１＝３００ｓ）経過後に出力をＯＦＦとする。ここでのオフディレイタイマ２３ａとしては、例えばオムロン社製の型式Ｈ３ＣＲ−Ｈ８Ｌを用いることができる。フィルタ回路２６は、ノイズ低減用の素子であり、マスク指令信号の立上がり／立下りを急峻にし、精度よいマスク指令信号の出力を可能とする。

図１に示すように、停電検出器２７は、外部電力系統ＣＥから系統電力を受電する系統受電時に常に励磁され、電路５１を介して外部電力系統ＣＥと接続すると共に、ｂ接点を開としてオフディレイタイマ２３ａへの入力をＯＦＦとする。一方、停電時には、系統電力が印加されないために無励磁とされ、外部電力系統ＣＥから解列すると共に、ｂ接点を閉としてオフディレイタイマ２３ａへの入力をＯＮとする。

開閉器３０は、メンテナンス等で蓄電ユニット２０の運転をバイパスさせたい場合に操作する。具体的には、開閉器３０は、外部電力系統ＣＥに接続された電路５２に電路５０を接続する一方、蓄電ユニット２０に接続された電路５３に電路５０を接続する。開閉器３０及び電路５０〜５３の少なくとも一部は、屋外連系盤に配設されている。

次に、以上に説明した燃料電池システム１の動作について、図３を参照しつつ例示する。

図３は、図１の電池システムの動作を説明するためのタイムチャートである。図３において横軸は時間を示している。上記燃料電池システム１では、外部電力系統ＣＥから例えばＡＣ２００Ｖの系統電力を受電している場合、開閉器３０により電路５０，５３が互いに接続され、燃料電池ユニット１０及び外部電力系統ＣＥが室内分電盤ＥＩに接続されると共に、外部電力系統ＣＥにより蓄電ユニット２０のバッテリ２１が充電される。

このとき、停電検出器２７のｂ接点が開とされ、オフディレイタイマ２３ａへの入力がＯＦＦとされているため、マスク指令信号が信号出力回路２３から出力されず（０Ｖとなり）、よって、単独運転防止機能は作動状態とされる。

続いて、停電が発生し、外部電力系統ＣＥからの受電が停止した時点（ＡＣ２００Ｖから０Ｖとなったとき、図中のｔ＝ｔｃ）では、インバータ２２内部の開閉器２４が切り替わり、燃料電池ユニット１０及び蓄電ユニット２０の放電出力が室内分電盤ＥＩに接続される。これにより、自立運転での室内分電盤ＥＩへの電力供給に運転が切り替えられる。なお、自立運転を開始した直後では、ＳＯＦＣ１１は、一旦アイドリングモードに入るが、所定時間ｔ０秒後に再度連系し、室内分電盤ＥＩへ発電出力を送る。所定時間ｔ０秒間は、蓄電ユニット２０が外部負荷を担保する。

これと共に、停電検出器２７が無励磁とされ、インバータ２２内部の開閉器２４が外部電力系統ＣＥから解列される。このとき、停電検出器２７のｂ接点が閉とされ、オフディレイタイマ２３ａへの入力がＯＮとされるため、マスク指令信号がＤＣ５Ｖとして配線２５を介して出力され、当該マスク指令信号が燃料電池ユニット１０の信号入力回路１３へ入力される。その結果、ＰＣＳ１２においては、マスク指令信号の入力に応じて単独運転防止機能にマスクが施され、単独運転防止機能が停止状態とされる。

続いて、外部電力系統ＣＥが復電し、外部電力系統ＣＥから再び受電された時点（０ＶからＡＣ２００Ｖとなったとき、図中のｔ＝ｔｒ）では、未だ開閉器２４が切り替わらず、自立運転での電力供給が引き続き実施される。これと共に、停電検出器２７が励磁され、停電検出器２７のｂ接点が開とされ、オフディレイタイマ２３ａへの入力がＯＦＦとされるものの、オフディレイタイマ２３ａの遅延機能が働くため、マスク指令信号がＤＣ５Ｖのまま維持されて出力され、当該マスク指令信号が燃料電池ユニット１０の信号入力回路１３へ入力される。その結果、ＰＣＳ１２では、マスク指令信号の入力に応じて単独運転防止機能のマスクが継続され、単独運転防止機能の停止状態が継続される。

そして、外部電力系統ＣＥの復電後で所定時間ｔ１経過した時点（図中のｔ＝ｔｒ＋ｔ１）においては、開閉器２４が切り替わり、外部電力系統ＣＥにより蓄電ユニット２０のバッテリ２１が充電される。これにより、系統連系運転での室内分電盤ＥＩへの電力供給が再実施される。これと共に、オフディレイタイマ２３ａの遅延機能が終了し、マスク指令信号がリセットされて信号出力回路２３から出力されず（０Ｖとなり）、よって、単独運転防止機能は再び作動状態とされる。

ところで、ＰＣＳ１２が有する上記単独運転防止機能は、系統連系運転時には正常に機能する場合でも、自立運転時には、単独運転防止機能が蓄電ユニット２０からの蓄電電力の停止を誤検出し、ＳＯＦＣ１１を誤解列してしまうことが見出される。これは、単独運転防止機能による能動的な周波数変動は、外部電力系統ＣＥの容量では吸収されるものの、外部電力系統ＣＥの容量に比べて小さいバッテリ２１の容量では吸収しきれず、よって、検出する周波数変化に誤差要因が含まれてしまうためであると考えられる。

この点、本実施形態によれば、停電時の間のみに蓄電ユニット２０からのマスク指令信号によって単独運転防止機能を停止状態にでき、復電後に単独運転防止機能を正常に作動状態にできる。その結果、系統受電時には、単独運転防止機能を確実に作動させることによりＳＯＦＣ１１の単独運転による保安上の問題を回避し、系統連系運転を好適に実施できる。一方、停電時には、ＳＯＦＣ１１を自立運転させて発電を継続させ、家庭内負荷に接続された室内分電盤ＥＩへ電力を安定供給できると共に、単独運転防止機能を停止状態にして当該単独運転防止機能による周波数変動を抑止し、ＳＯＦＣ１１が意図せず解列されてしまうのを防止できる。

従って、本実施形態によれば、系統連系運転及び自立運転が可能な燃料電池システム１において、安定した発電を行うことが可能となる。なお、本実施形態では、他のいかなる蓄電ユニットと連系させた自立運転時においても、安定してＳＯＦＣ１１を作動させて発電することができる。さらに、本実施形態では、例えば故障時（ｂ接点の溶着を除く）には、単独運転防止機能が作動状態とされる（復帰する）ようになっており、フェイル・セーフの思想に好適に対応させることができる。

また、本実施形態では、上述したように、復電した時点ｔｒから所定時間ｔ１が経過するまでの間、自立運転が継続されると共にＰＣＳ１２による単独運転防止機能の停止状態が維持されている。これにより、復電直後の所定時間ｔ１においても、燃料電池ユニット１０の安定した運転が可能となる。

また、本実施形態では、上述したように、蓄電ユニット２０から信号入力回路１３へマスク指令信号が出力され、マスク指令信号が入力されている間のみにＰＣＳ１２が単独運転防止機能を停止状態とさせている。このように構成することで、単独運転機能を停止状態する上記作用を好適に実現できる。

また、本実施形態では、ＰＣＳ１２の不足電圧検出機能及び不足周波数検出機能により、ＳＯＦＣ１１の単独運転防止機能を担保できる。また、特に自立運転時には、これら不足電圧検出機能及び不足周波数検出機能により、蓄電ユニット２０の蓄電電力が所定以下となるとＳＯＦＣ１１が解列される、つまり、自立運転時に蓄電電力が一定量確保される。よって、高温運転されるＳＯＦＣ１１に必要な解列時のアイドリングモード運転等のための電力を、自立運転時に確実に確保することができる。

ここで、上記燃料電池システム１について、停電時にマスク指令信号が確実に応答することを確認するための確認試験を行った。その結果の一部を図４に示す。ここでの確認試験では、外部電力系統として用いた商用電源を連続的に１００回開閉し、当該開閉に応じてマスク指令信号が出力及び停止されるか否かを電圧波形により確認した。

図４に示すように、商用電源が開から閉にされるのに応じて、マスク指令信号が出力されると共に、商用電源が閉から開にされるのに応じて、マスク指令信号が停止されている。よって、停電時にマスク指令信号が確実に出力されるということを確認することができる。また、確認試験では、商用電源を開閉した１００回中の全てにおいてマスク指令信号が確実に応答され、よって、マスク指令信号に係る燃料電池システム１の耐久性も確認することができる。

以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限られるものではなく、各請求項に記載した要旨を変更しない範囲で変形し、又は他のものに適用したものであってもよい。

例えば、上記実施形態では、系統連系運転と自立運転とが、外部電力系統ＣＥの電力受電時と停電時とにより切り替えられているが、これに限定されるものではなく、例えばユーザにより選択的に系統連系運転と自立運転とが切り替えられてもよい。なお、上記において、ＰＣＳ１２及び信号入力回路１３が制御部を構成する。

１…燃料電池システム、１０…燃料電池ユニット、１１…ＳＯＦＣ（燃料電池部）、１２…ＰＣＳ（制御部）、１３…信号入力回路（制御部）、２０…蓄電ユニット（蓄電部）、ＣＥ…外部電力系統、ＥＩ…外部電力負荷、ｔ１…所定時間。

Claims (6)

1. 水素含有燃料を用いて発電を行う燃料電池部と、
   前記燃料電池の動作を制御する制御部と、
   電力を蓄電する蓄電部と、を備え、
   前記燃料電池部は、
   外部電力系統の電力と連系して外部電力負荷へ電力供給する系統連系運転と、前記蓄電部の電力と連系して前記外部電力負荷へ電力供給する自立運転と、で切替え可能に構成されており、
   前記制御部は、
   前記燃料電池部が連系する連系対象の電力の停止が検出された場合に前記燃料電池の出力を当該連系対象から解列させる能動方式の単独運転防止機能を有すると共に、
   前記燃料電池部が前記自立運転されている間のみ、前記蓄電部の電力の停止が検出された場合に前記燃料電池の出力を当該蓄電部から解列させる能動方式の前記単独運転防止機能を停止状態にすること、を特徴とする燃料電池システム。
2. 前記能動方式は、周波数シフト方式であることを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
3. 前記燃料電池部は、前記外部電力系統の電力が停止した場合に前記自立運転へ切り替えられることを特徴とする請求項１又は２記載の燃料電池システム。
4. 前記燃料電池部は、前記外部電力系統の電力が復電した時点から所定時間が経過するまで間、前記自立運転を継続し、
   前記制御部は、前記外部電力系統の電力が復電した時点から所定時間が経過するまでの間、前記単独運転防止機能の停止状態を維持すること、を特徴とする請求項３記載の燃料電池システム。
5. 前記蓄電部は、前記制御部へ指令信号を出力し、
   前記制御部は、前記蓄電部から前記指令信号が入力されている間のみ、前記単独運転防止機能を停止状態とすること、を特徴とする請求項１〜４の何れか一項記載の燃料電池システム。
6. 前記制御部は、前記蓄電部の電力の電圧不足が検出された場合に前記燃料電池部の出力を前記蓄電部から解列させる不足電圧検出機能と、前記蓄電部の電力の周波数不足が検出された場合に前記燃料電池部の出力を前記蓄電部から解列させる不足周波数検出機能と、を有すること、を特徴とする請求項１〜５の何れか一項記載の燃料電池システム。

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