JP6089820B2 - 燃料電池用系統連系システム - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池と商用電源系統とを連系する燃料電池用系統連系システムに関する。

燃料電池等の発電部と商用電源系統（以下、「系統」ともいう）とを連系する燃料電池用系統連系システムは、パワーコンディショナを備えている。パワーコンディショナは、発電部で発電した直流電力を系統に供給可能な交流電力に変換するために、コンバータ部と系統連系インバータ部とを有している。コンバータ部は、発電部で発電された直流電圧を昇圧する。系統連系インバータ部は、コンバータ部で昇圧された直流電圧を、系統と同期のとれた交流電圧に変換する。

また、燃料電池用系統連系システムは、燃料電池において発電するための補機を備えている。補機とは、例えば、空気を燃料電池に供給するためのファン等である。補機は、商用電源からの電気又は燃料電池において発電された電気によって駆動される（例えば、特許文献１参照）。

特開２００６−１９０３６号公報

商用電源からの電気により補機が駆動されている場合には、商用電源において停電が発生した場合には、補機の駆動を確保することができない。このため、商用電源における停電発生時には、燃料電池において正常に発電を行うことができなくなり、燃料電池用系統連系システムにおいては、安全性が問題となる。

また、燃料電池からの電気を利用して補機を駆動しようとする場合、燃料電池の起動時には、燃料電池から十分な電気が出力されていない。このため、燃料電池の起動時には、燃料電池から補機へ電気を供給することは困難である。

本発明は、燃料電池の起動時や、商用電源において停電が発生した場合であっても、補機の駆動を確保することができる燃料電池用系統連系システムを提供することを目的とする。

本発明は、燃料電池と、前記燃料電池における発電に用いられる補機と、前記燃料電池から出力される直流電圧を所定の直流電圧に変換するコンバータ部と、前記コンバータ部から出力される直流電圧を交流電圧に変換して系統に供給する系統連系インバータ部と、前記燃料電池又は商用電源に択一的に接続され、（ｉ）前記燃料電池又は商用電源が停電していない状態で、前記燃料電池又は商用電源から入力された電気を前記補機に中継供給するか、（ｉｉ）前記燃料電池又は商用電源が停電した状態で、搭載された電池から電気を前記補機に供給する無停電電源装置とを備える燃料電池用系統連系システムに関する。
前記無停電電源装置は、前記商用電源からの交流電圧と、前記燃料電池からの直流電圧との両方を入力可能な常時インバータ給電方式の電源装置であることが好ましい。

また、前記無停電電源装置の前記燃料電池又は前記商用電源への接続を切り替えるためのスイッチを備えることが好ましい。

また、前記無停電電源装置の前記燃料電池又は前記商用電源への接続を、所定の時間間隔で切り替えるためのタイマーを備えることが好ましい。

また、前記補機は、前記燃料電池に空気を供給するためのブロワ、又は、前記燃料電池に燃料を供給するためのブースターであることが好ましい。

また、前記コンバータ部は、前記燃料電池から出力される直流電圧が最低入力許容電圧値よりも大きいときに、前記燃料電池から出力される直流電圧を所定の直流電圧に変換し、燃料電池用系統連系システムは、前記燃料電池から出力され前記コンバータ部に入力される直流電圧を検出するコンバータ部入力電圧検出部と、前記コンバータ部入力電圧検出部により検出された直流電圧が、前記最低入力許容電圧値の近傍の所定の値以下であるときに、前記系統連系インバータ部から出力される交流電流を低減する制御を前記系統連系インバータ部に対して行う制御部と、を有することが好ましい。

本発明によれば、燃料電池の起動時や、商用電源において停電が発生した場合であっても、補機の駆動を確保することができる燃料電池用系統連系システムを提供することができる。

本発明の実施形態による燃料電池用系統連系システム１を示すブロック図である。

以下、本発明の実施形態による燃料電池用系統連系システムについて、図１を参照しながら説明する。図１は、本発明の実施形態による燃料電池用系統連系システム１を示すブロック図である。

図１に示すように、燃料電池用系統連系システム１は、燃料電池１０と、コンバータ部としてのＤＣ／ＤＣコンバータ２０と、系統連系インバータ部としての系統連系インバータ３０と、コンバータ部入力電圧検出部４０と、制御部５０と、無停電電源装置６１（以下「ＵＰＳ６１」ともいう）と、スイッチ６２と、補機７０とを備えている。燃料電池用系統連系システム１は、発電部である燃料電池１０と商用電源系統８１（以下「系統８１」ともいう）とを連系する。

燃料電池１０と、ＤＣ／ＤＣコンバータ２０と、系統連系インバータ３０とは、この順で電気的に直列接続されている。より詳細には、ＤＣ／ＤＣコンバータ２０と系統連系インバータ３０とは、ＤＣバスにより電気的に接続されている。コンバータ部入力電圧検出部４０は、燃料電池１０とＤＣ／ＤＣコンバータ２０との間に電気的に接続されている。また、スイッチ６２とＵＰＳ６１と補機７０とは、この順で電気的に直列接続されている。従って、燃料電池１０と、ＵＰＳ６１及び補機７０とは、スイッチ６２を介して電気的に接続／遮断可能である。また、商用電源８２と、ＵＰＳ６１及び補機７０とは、スイッチ６２を介して電気的に接続／遮断可能である。即ち、スイッチ６２によって、ＵＰＳ６１が燃料電池１０に接続された状態と、ＵＰＳ６１が商用電源８２に接続された状態との切り替えが行われる。

また、制御部５０と、ＤＣ／ＤＣコンバータ２０、系統連系インバータ３０、コンバータ部入力電圧検出部４０、スイッチ６２、及び補機７０とは、それぞれ電気的に接続されている。制御部５０は、ＤＣ／ＤＣコンバータ２０、系統連系インバータ３０、コンバータ部入力電圧検出部４０、スイッチ６２、及び補機７０を制御可能である。

燃料電池１０は、例えば、高温型の燃料電池であるＳＯＦＣ（固体酸化物形燃料電池）により構成される。燃料電池１０においては、水素と酸素とが反応することによる発電が行われる。燃料電池１０によって発電された直流電圧は、ＤＣ／ＤＣコンバータ２０に出力される。また、スイッチ６２により燃料電池１０とＵＰＳ６１及び補機７０とが電気的に接続されているときには、燃料電池１０によって発電された直流電圧は、後述のＵＰＳ６１及び補機７０に対しても出力される。

ＤＣ／ＤＣコンバータ２０は、燃料電池１０から出力される９０Ｖ〜１６０Ｖ程度の直流電圧を、所定の直流電圧に変換（昇圧）する。所定の直流電圧とは、例えば、系統連系インバータ３０において系統８１に供給可能な電圧（例えば、ＡＣ２００Ｖ）の生成ができる程度の電圧（例えば、ＤＣ２８０Ｖ）であり、この出力電圧は、固定値である。

従って、ＤＣ／ＤＣコンバータ２０は、燃料電池１０から出力される直流電圧が、最低入力許容電圧値よりも大きいときに、燃料電池１０から出力される直流電圧を所定の直流電圧に変換する。逆に、ＤＣ／ＤＣコンバータ２０は、燃料電池１０から出力される直流電圧が、最低入力許容電圧値よりも小さいときには、直流電圧を昇圧する変換を停止する。最低入力許容電圧値とは、例えば、８０Ｖである。

系統連系インバータ３０は、ＤＣ／ＤＣコンバータ２０から出力される直流電圧を、系統８１に供給可能な所定の交流電圧（例えば、ＡＣ２００Ｖ）に変換して系統８１に供給する。系統連系インバータ３０は、交流電圧を系統８１に供給するため、系統連系インバータ３０から出力される交流電圧の値は、固定値である。一方、系統連系インバータ３０は、系統連系インバータ３０から出力される電流の値を制御可能である。

コンバータ部入力電圧検出部４０は、燃料電池１０から出力されてＤＣ／ＤＣコンバータ２０に入力される直流電圧値を検出する。検出した直流電圧値は、制御部５０に出力される。

また、ＵＰＳ６１は、前述のようにスイッチ６２を介して燃料電池１０又は商用電源８２（ＡＣ１００Ｖ）に択一的に電気的に接続される。ＵＰＳ６１は、常時インバータ給電方式のＵＰＳであって、交流電圧と直流電圧との両方を入力可能なＵＰＳにより構成されている。ＵＰＳ６１は、電池を搭載しているため、ＵＰＳ６１に電気を供給する燃料電池１０又は商用電源８２からの電気の供給が停止して停電の状態になった後、ＵＰＳ６１は、ＵＰＳ６１に接続された補機７０へ一定時間電気を供給可能である。

補機７０は、燃料電池１０における発電に用いられる装置である。補機７０は、例えば、空気を燃料電池１０に供給するためのブロワ（図示せず）や、燃料電池１０に燃料を供給するためのブースター（図示せず）等により構成される。補機７０は、ＵＰＳ６１を介して供給された電気により駆動する。

制御部５０は、シーケンサーにより構成されており、燃料電池１０について起動から発電までの一連の動作を制御する。具体的には、燃料電池１０において発電するために設けられている補機７０等の制御を行う。

また、制御部５０は、スイッチ６２の切り替えの制御をスイッチ６２に対して行う。具体的には、制御部５０は、コンバータ部入力電圧検出部４０により検出された直流電圧値に基づき、燃料電池１０から電気が供給されている状態か否かの判断を行う。そして、制御部５０は、補機７０を駆動可能な程度に十分に燃料電池１０から電気が供給されている状態であると判断した場合には、燃料電池１０とＵＰＳ６１とが電気的に接続された状態となるように、スイッチ６２を切り替える制御を、スイッチ６２に対して行う。逆に、制御部５０は、補機７０を駆動可能な程度に十分に燃料電池１０から電気が供給されていない状態であると判断した場合には、商用電源８２とＵＰＳ６１とが電気的に接続された状態となるように、スイッチ６２を切り替える制御を、スイッチ６２に対して行う。

例えば、燃料電池１０の起動時には、燃料電池１０から十分な電気が出力されておらず、出力電圧値は低い。このような場合には、制御部５０は、商用電源８２と、ＵＰＳ６１及び補機７０とが電気的に接続された状態となるように、スイッチ６２を切り替える制御を、スイッチ６２に対して行う。その後、燃料電池１０から安定して電気が出力されるようになったときに、制御部５０は、燃料電池１０と、ＵＰＳ６１及び補機７０とが電気的に接続された状態となるように、スイッチ６２を切り替える制御を、スイッチ６２に対して行う。これにより、燃料電池１０からの電気が、ＵＰＳ６１及び補機７０に供給されようになる。即ち、燃料電池用系統連系システム１においては、燃料電池１０は、常用される電源であり、燃料電池１０から十分な電気が出力されていない非常時に、商用電源８２が用いられる。

また、制御部５０は、コンバータ部入力電圧検出部４０により検出された直流電圧値が、最低入力許容電圧値の近傍の所定の値、例えば、９０Ｖの値以下か否かを判断する。制御部５０は、コンバータ部入力電圧検出部４０により検出された直流電圧値が最低入力許容電圧値の近傍の所定の値以下であると判断したときには、系統連系インバータ３０から出力される交流電流を低減する制御を、系統連系インバータ３０に対して行う。

上記本実施形態の燃料電池用系統連系システム１によれば、以下のような効果を得ることができる。
燃料電池用系統連系システム１は、燃料電池１０又は商用電源８２に択一的に接続され、補機７０に電気を供給するＵＰＳ６１を備える。ＵＰＳ６１は、電池を搭載しているので、ＵＰＳ６１の電池から補機７０へ電気を供給することができ、補機７０に関して電源自立させることができる。このため、燃料電池１０から十分に電気が出力されておらず、且つ、商用電源８２が停電しているときであっても、補機７０を駆動させて燃料電池１０の発電に用いることができる。このため、商用電源８２の停電発生時であっても、補機７０の駆動を確保することができ、意図しない商用電源８２の停電による燃料電池１０の発電の停止や燃料電池１０の破損を防止することができる。この結果、燃料電池用系統連系システム１において、安全性を高めることができる。

また、ＵＰＳ６１として、市販品のＵＰＳを用いることができるため、燃料電池用系統連系システム１を構成するコストを抑えることができる。

更に無停電電源装置６１は、常時インバータ給電方式のＵＰＳであって、交流電圧と、直流電圧との両方を入力可能なＵＰＳにより構成されている。このため、スイッチ６２やリレーなどの開閉器（図示せず）等を用いて、ＵＰＳ６１を燃料電池１０又は商用電源８２に択一的に接続する構成とすることができる。その上、ＵＰＳ６１を燃料電池１０又は商用電源８２のいずれかに切り替えて接続する際に、停電が発生することを防止することができる。

また、補機７０は、燃料電池１０に空気を供給するためのブロワ、又は、燃料電池１０に燃料を供給するためのブースターであり、補機７０にはＵＰＳ６１からの電気が常時供給されている。このため、補機７０を常時駆動することができ、燃料電池１０において常時発電をすることができる。

また、前述のように、燃料電池用系統連系システム１は、燃料電池１０から出力されコンバータ部としてのＤＣ／ＤＣコンバータ２０に入力される直流電圧を検出するコンバータ部入力電圧検出部４０と、コンバータ部入力電圧検出部４０により検出された直流電圧が、最低入力許容電圧値の近傍の所定の値以下であるときに、系統連系インバータ３０から出力される交流電流を低減する制御を系統連系インバータ３０に対して行う制御部５０とを備える。

このため、燃料電池１０において電気を十分に出力していないにもかかわらず、系統連系インバータ３０において過剰な電流を出力し続けることを防止することができる。これにより、ＤＣ／ＤＣコンバータ２０において電気を十分に出力していないときに、ＤＣ／ＤＣコンバータ２０が停止し即復帰する不安定な動作の発生を、防止することができる。この結果、燃料電池１０のセルスタックへのダメージを抑えることができる。

また、系統連系インバータ３０から出力される交流電流を低減することができるため、ＤＣ／ＤＣコンバータ２０において出力電圧を可変とする必要がなくなり、出力電圧可変の高価なＤＣ／ＤＣコンバータ２０を用いる必要がなくなる。即ち、出力電圧を制御することができず出力電圧が固定値である安価なＤＣ／ＤＣコンバータ２０を用いることができる。この結果、燃料電池用系統連系システム１を構成する費用の低減を図ることができる。

また、制御部５０は、コンバータ部入力電圧検出部４０により検出された直流電圧が、最低入力許容電圧値の近傍の所定の値以下であるときに、系統連系インバータ３０から出力される交流電流を低減する。このため、燃料電池１０から出力される直流電圧が、最低入力許容電圧値よりも小さくなる前に、予め、系統連系インバータ部から出力される交流電流を低減することができる。この結果、制御部５０は、早めに余裕を持って、ＤＣ／ＤＣコンバータ２０が直流電圧を昇圧する変換を停止しないように対応を行うことができる。

また、燃料電池１０から出力されコンバータ部としてのＤＣ／ＤＣコンバータ２０に入力される直流電圧を検出するコンバータ部入力電圧検出部４０を有するため、燃料電池１０において電気を十分に出力しているか否かについて、コンバータ部入力電圧検出部４０により検出することができる。

本発明は、上記実施形態に限定されることはなく、特許請求の範囲に記載された技術的範囲において変形が可能である。例えば、スイッチ６２の切り替えは、タイマーにより所定時間間隔で行うようにしてもよい。具体的には、燃料電池１０は、起動開始から所定時間経過した後に、所定の電圧を出力する。そこで、燃料電池１０が起動開始してから当該所定の電圧を出力するまでの間の時間が経過した後に、スイッチ６２を切り替えて、ＵＰＳ６１と燃料電池１０とを電気的に接続するようにしてもよい。

また、ＵＰＳ６１は、補機７０に対して電気を出力するように用いられたが、これに限定されない。例えば、ＵＰＳ６１を、系統８１から独立した電源であって、主要な装置に電気を供給するための、いわゆる重要電源として用いてもよい。

また、燃料電池１０は、ＳＯＦＣにより構成されていたが、ＳＯＦＣに限定されない。例えば、ＰＥＦＣ（固体高分子形燃料電池）等を用いてもよい。また、各電圧の値等は、本実施形態に記載の値に限定されない。また、本実施形態では、スイッチ６２が用いられたが、スイッチに限定されず、例えば、スイッチに代えて、リレーなどの開閉器が用いられてもよい。

１ 燃料電池用系統連系システム
１０ 燃料電池
２０ ＤＣ／ＤＣコンバータ（コンバータ部）
３０ 系統連系インバータ（系統連系インバータ部）
４０ コンバータ部入力電圧検出部
５０ 制御部
６１ 無停電電源装置（ＵＰＳ）
６２ スイッチ
７０ 補機
８１ 系統
８２ 商用電源

Claims (6)

1. 燃料電池と、
   前記燃料電池における発電に用いられる補機と、
   前記燃料電池から出力される直流電圧を所定の直流電圧に変換するコンバータ部と、
   前記コンバータ部から出力される直流電圧を交流電圧に変換して系統に供給する系統連系インバータ部と、
   前記燃料電池又は商用電源に択一的に接続され、（ｉ）前記燃料電池又は商用電源が停電していない状態で、前記燃料電池又は商用電源から入力された電気を前記補機に中継供給するか、（ｉｉ）前記燃料電池又は商用電源が停電した状態で、搭載された電池から電気を前記補機に供給する無停電電源装置とを備える燃料電池用系統連系システム。
2. 前記無停電電源装置は、前記商用電源からの交流電圧と、前記燃料電池からの直流電圧との両方を入力可能な常時インバータ給電方式の電源装置である請求項１に記載の燃料電池用系統連系システム。
3. 前記無停電電源装置の前記燃料電池又は前記商用電源への接続を切り替えるためのスイッチを備える請求項１又は請求項２に記載の燃料電池用系統連系システム。
4. 前記無停電電源装置の前記燃料電池又は前記商用電源への接続を、所定の時間間隔で切り替えるためのタイマーを備える請求項１又は請求項２に記載の燃料電池用系統連系システム。
5. 前記補機は、前記燃料電池に空気を供給するためのブロワ、又は、前記燃料電池に燃料を供給するためのブースターである請求項１〜請求項４のいずれかに記載の燃料電池用系統連系システム。
6. 前記コンバータ部は、前記燃料電池から出力される直流電圧が最低入力許容電圧値よりも大きいときに、前記燃料電池から出力される直流電圧を所定の直流電圧に変換し、
   燃料電池用系統連系システムは、
   前記燃料電池から出力され前記コンバータ部に入力される直流電圧を検出するコンバータ部入力電圧検出部と、
   前記コンバータ部入力電圧検出部により検出された直流電圧が、前記最低入力許容電圧値の近傍の所定の値以下であるときに、前記系統連系インバータ部から出力される交流電流を低減する制御を前記系統連系インバータ部に対して行う制御部と、を有する請求項１〜請求項５のいずれかに記載の燃料電池用系統連系システム。

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