JP7261150B2 - 燃料電池発電システム、及び燃料電池発電システムの制御方法 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、燃料電池発電システム、及び燃料電池発電システムの制御方法に関する。

燃料ガスの有している化学エネルギーを直接電気に変換するシステムとして、燃料電池発電システムが知られている。この燃料電池発電システム内の燃料電池は、燃料である水素と酸化剤である酸素とを電気化学的に反応させて、高い発電効率で電気エネルギーを取り出すことが可能である。また、燃料電池には、燃料電池の発電を補助する補機が一般に用いられている。この補機などは一般に燃料電池の負荷となっている。燃料電池の制御装置は、燃料電池の発電出力が電力系統への供給電力と各負荷で必要とする電力となるようにインバータを制御する。

特開２０１０－２５０９６７号公報

しかしながら、燃料電池システムでは、補機への供給電力が変動すると、インバータの出力電力が変動するため、出力電力を制御するためには、インバータの出力電力を計測する電力計が燃料電池毎に必要となる。このため、燃料電池の設置数が増加するにしたがい、電力計を設置する設置場所の確保が必要となると共に、設置コストが増大してしまう。

本発明が解決しようとする課題は、燃料電池の出力電力を計測する電力計を設置する設置場所、及び設置コストを抑制可能な燃料電池システムを提供することである。

本実施形態に係る燃料電池発電システムは、水素含有ガスと酸素含有ガスを用いて発電する第１燃料電池と、第１燃料電池の発電を補助する第１補機と、第１燃料電池が発電する直流電力を交流電力に変換する第１インバータであって、電力系統と接続される第１電力線と接続され、第１電力線を介して電力系統との間における電力の入出力が可能であり、第１電力線に接続される第２電力線を介して電力を供給可能である第１インバータと、第１インバータの入出力電力を制御する第１制御装置と、を有する第１燃料電池発電システムと、水素含有ガスと酸素含有ガスを用いて発電する複数の第２燃料電池と、第２電力線を介して電力を受電可能であり、第２燃料電池の発電を補助する第２補機と、第２燃料電池が発電する直流電力を交流電力に変換する第２インバータと、第２インバータの出力電力を制御する第２制御装置と、を有する第２燃料電池発電システムと、第１電力線において、第１電力線と第２電力線との分岐部よりも電力系統の側に配置され、電力系統に入出力される電力を計測する電力計と、を備える。

第１実施形態に係る燃料電池システムの概略的な全体構成を示すブロック図。 燃料電池発電システムのより詳細な構成を示すブロック図。 燃料電池発電システムの発電処理の一例を示すフローチャート。 第２実施形態に係る燃料電池発電システムの構成を示すブロック図。 第２実施形態に係る燃料電池発電システムの発電処理の一例を示すフローチャート。

効果

燃料電池発電システム内の燃料電池の設置数が増加しても、電力計を設置する設置場所、及び設置コストを抑制できる。

以下、本発明の実施形態に係る燃料電池発電システム、及び燃料電池発電システムの制御方法について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、以下に示す実施形態は、本発明の実施形態の一例であって、本発明はこれらの実施形態に限定して解釈されるものではない。また、本実施形態で参照する図面において、同一部分又は同様な機能を有する部分には同一の符号又は類似の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する場合がある。また、図面の寸法比率は説明の都合上実際の比率とは異なる場合や、構成の一部が図面から省略される場合がある。

（第１実施形態）
図１は、第１実施形態に係る燃料電池発電システム１の概略的な全体構成を示すブロック図である。図１に示すように燃料電池発電システム１は、複数の燃料電池システム１０、２０ａ、２０ｂ、２０ｃにより発電を行い、負荷及び電力系統Ｐｇに電力供給が可能なシステムである。より具体的には、この燃料電池発電システム１は、第１燃料電池システム１０と、第２燃料電池システム２０ａ、２０ｂ、２０ｃと、電力計２５と、総合制御装置３０と、を備える。

第１燃料電池システム１０、第２燃料電池システム２０ａ、２０ｂ、２０ｃは、電力系統Ｐｇへの電力供給が可能である。また、第１燃料電池システム１０は、第２燃料電池システム２０ａ、２０ｂ、２０ｃに電力供給が可能である。電力計２５は、電力系統Ｐｇと第１燃料電池システム１０との間の電力線において、電力系統Ｐｇに入出力される電力を計測する。総合制御装置３０は、例えばＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）を含んで構成され、複数の燃料電池システム１０、２０ａ、２０ｂ、２０ｃそれぞれの発電電力を制御する。なお、総合制御装置３０の詳細は、後述する。

図２は、第１実施形態に係る燃料電池発電システム１のより詳細な構成を示すブロック図である。第１燃料電池システム１０は、燃料電池１００と、第１インバータ１０２と、補機１０４と、制御装置１０６とを有する。

燃料電池１００は、水素含有ガスと酸素含有ガスを用いて発電する。水素含有ガスと酸素含有ガスとは、例えば供給管を介して供給される。

第１インバータ１０２は、燃料電池１００の電極に接続され、燃料電池１００の発電量を調整する。この第１インバータ１０２は、例えば燃料電池１００が発電した直流電力を三相の交流電力に変換する。つまり、第１インバータ１０２は、交流電力に変換する電力を調整することにより、燃料電池１００の発電電力を調整する。また、第１インバータ１０２は、電力系統Ｐｇとの間で電力の入出力が可能である。

第１インバータ１０２は、複数の補機１０４、２０６に電力線Ｌａを介して電力を供給する。さらにまた、第１インバータ１０２から供給される三相の交流電力は、電力系統Ｐｇと同等の三相の交流電力である。このため、補機１０４、２０６、変換器２０４は汎用の機器を使用することが可能である。

補機１０４は、燃料電池１００の発電を補助する。例えば、補機１０４は、三相補機であり、ポンプ、ブロア、ヒータ等といった各種の３相の補機負荷である。第１燃料電池システム１０の補機１０４には、第１インバータ１０２から供給される電力に加えて、電力系統Ｐｇからの電力も受電可能に構成される。これにより、第１インバータ１０２の燃料電池１００の稼働が安定するまでは、電力系統Ｐｇからの電力を用いて運転が可能である。

制御装置１０６は、例えばＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）を含んで構成され、総合制御装置３０から指示された発電電力を、発電電力指令として第１インバータ１０２に出力し、発電させる。また、制御装置１０６は、総合制御装置３０から指示された発電電力に基づき、供給管から供給される水素含有ガスと酸素含有ガスとを調整する。なお、本実施形態に係る第１燃料電池システム１０の燃料電池１００と、補機１０４と、制御装置１０６とが、第１燃料電池第１と、第１補機第１と、第１制御装置とに対応する。

第２燃料電池システム２０ａ、２０ｂは、燃料電池１００と、インバータ２０２と、変換器２０４と、補機２０６と、制御装置１０６とを有する。以下では、燃料電池システム１０と相違する点を説明する。なお、以下の説明では、同等の構成には同一の番号を付して説明を省略する。

第２燃料電池システム２０ａ、２０ｂのインバータ２０２は、補機１０４、２０６に電力を供給しない代わりに、電力系統Ｐｇに電力を供給する。すなわち、インバータ２０２は、制御装置１０６により制御され、第２燃料電池システム２０ａ、２０ｂの燃料電池１００が電力系統Ｐｇに供給する電力を調整する。

変換器２０４は、第１インバータ１０２から供給される三相の交流電力を単相の電力に変換する。この変換器２０４は、補機２０６に単相の電力を供給する。上述のように、第１インバータ１０２から供給される三相の交流電力は、電力系統Ｐｇと同等の三相の交流電力であるので、変換器２０４は、汎用の変換器を使用可能である。

補機２０６は、第２燃料電池システム２０ａ、２０ｂにおける燃料電池１００の発電を補助する。この補機２０６は、単相補機であり、ポンプ、ブロア、ヒータ等といった各種の単相の補機負荷である。

第２燃料電池システム２０ｃは、燃料電池１００と、補機１０４と、制御装置１０６と、インバータ２０２と、を有する。すなわち、第２燃料電池システム２０ｃのインバータ２０２は、制御装置１０６により制御され、第２燃料電池システム２０ｃの燃料電池１００が電力系統Ｐｇに供給する電力を調整する点で第１燃料電池システム１０と相違する。なお、本実施形態に係る第２燃料電池システム２０ａ、２０ｂの燃料電池１００と、インバータ２０２と、変換器２０４と、補機２０６と、制御装置１０６とが、第２燃料電池と、第２インバータと、第２変換器と、第２補機と、第２制御装置に対応する。

第１インバータ１０２と電力系統Ｐｇとの間の電力線Ｌｂと電力線Ｌａとは、ノードＮ１で分岐している。電力計２５は、第１インバータ１０２と電力系統Ｐｇとの間の電力線Ｌｂにおいて、複数の補機１０４、２０６に交流電力を供給する電力線Ｌａよりも電力系統Ｐｇ側に配置され、電力系統Ｐｇに入出力される電力を計測する。これにより、複数の補機１０４、２０６に交流電力を供給した後の電力の測定が可能となる。なお、本実施形態に係る電力線Ｌｂが第１電力線に対応し、本実施形態に係る電力線Ｌａが第２電力線に対応する。

総合制御装置３０は、電力計２５の計測する電力に基づき、第２燃料電池システム２０ａ、２０ｂ、２０ｃの複数の制御装置１０６を制御し、複数のインバータ２０２から電力系統Ｐｇに供給する総電力量を制御する。例えば、総合制御装置３０は、総発電電力から電力計２５の計測する電力を減算した電力を総出力電力として、第２燃料電池システム２０ａ、２０ｂ、２０ｃの複数の制御装置１０６に出力電力を割振り、出力指示を行う。なお、本実施形態に係る第２燃料電池システム２０ａ、２０ｂ、２０ｃは、電力系統Ｐｇに電力を供給するが、これに限定されない。例えば、家庭用の負荷Ｌｏなどに電力を供給してもよい。

また、総合制御装置３０は、制御装置１０６を介して、補機１０４、２０６、変換器２０４の駆動を制御する。例えば、総合制御装置３０は、第１燃料電池システム１０の補機１０４への供給電力を電力系統Ｐｇから補うように制御する。この総合制御装置３０は、第２燃料電池システム２０ａ、２０ｂ、２０ｃの補機１０４、２０６の消費電力が増加する場合には、第１インバータ１０２からの電力を第２燃料電池システム２０ａ、２０ｂ、２０ｃの補機１０４、２０６に優先的に供給する。この場合、不足する電力を電力系統Ｐｇから受電して、第１燃料電池システム１０の補機１０４へ供給できる。

第２燃料電池システム２０ａ、２０ｂ、２０ｃそれぞれに電力計を設置すると、設置場所の確保、コストの増大となってしまう。負荷電力が変動する可能性がある複数の燃料電池システム２０ａ、２０ｂ、２０ｃの補機１０４、２０６には、第１燃料電池システム１０の第１インバータ１０２から電力供給するので、第２燃料電池システム２０ａ、２０ｂ、２０ｃでは、複数の制御装置１０６の発電電力指令どおりの電力が電力系統Ｐｇに供給される。このため、第２燃料電池システム２０ａ、２０ｂ、２０ｃには、電力計の設定が不要である。これにより、第２燃料電池システム２０ａ、２０ｂ、２０ｃに電力計を設置する設置場所の確保、及びコストの増大を抑制できる。

図３は、第２実施形態に係る燃料電池発電システム１の発電処理の一例を示すフローチャートである。ここでは、燃料電池発電システム１が起動した後の、制御例を説明する。

図３に示すように、先ず、総合制御装置３０は、電力系統Ｐｇへ供給すべき総発電電力を取得する（ステップＳ１００）。総発電電力は、例えば電力系統Ｐｇの管理システムから総合制御装置３０に供給される。

次に、総合制御装置３０は、電力計２５の計測する電力を取得する（ステップＳ１０２）。続いて、総発電電力から電力計２５の計測する電力を減算した電力を総出力電力として、第２燃料電池システム２０ａ、２０ｂ、２０ｃの複数の制御装置１０６に出力電力を割振り、出力指示を行う（ステップＳ１０４）。

次に、総合制御装置３０は、全体処理を終了するか否かを判断する（ステップＳ１０６）。全体処理を終了すると判断する場合に（ステップＳ１０６のＹＥＳ）、総合制御装置３０は、全体処理を終了する。一方で、全体処理を終了しないと判断する場合に（ステップＳ１０６のＮＯ）、総合制御装置３０は、ステップＳ１０２からの処理を繰り返す。

以上のように本実施形態に係る燃料電池発電システム１によれば、第１インバータ１０２が電力系統Ｐｇとの間で電力の入出力を行うことを可能とした。これにより、第１燃料電池システム１０の応答遅れが生じる場合には、電力系統Ｐｇからの電力供給を受けることが可能となり、余分の燃料の消費を抑制できる。また、負荷電力が変動する可能性がある第２燃料電池システム２０ａ、２０ｂ、２０ｃの補機１０４、２０６には、第１燃料電池システム１０の第１インバータ１０２から電力供給するので、第２燃料電池システム２０ａ、２０ｂ、２０ｃでは、第２制御装置２０６ａ、２０６ｂ、２０６ｃの発電電力指令どおりの電力が電力系統Ｐｇに供給される。このため、第２燃料電池システム２０ａ、２０ｂ、２０ｃには、電力計を設け無くとも電力系統Ｐｇへの供給電力の値を取得可能となる。これにより、第２燃料電池システム２０ａ、２０ｂ、２０ｃに電力計を設置する設置場所、及び設置コストを抑制できる。

（第２実施形態）
第２実施形態に係る燃料電池発電システム１は、第１燃料電池システム１０の第１インバータ１０２が電力系統Ｐｇとの間で電力の入出力を行わない点で第１実施形態に係る燃料電池発電システム１と相違する。以下では、第１実施形態に係る燃料電池発電システム１と相違する点を説明する。
図４は、第２実施形態に係る燃料電池発電システム１の概略的な全体構成を示すブロック図である。図４に示すように、第２実施形態に係る燃料電池発電システム１は、第１燃料電池システム１０の第１インバータ１０２が電力系統Ｐｇとの間で電力の入出力を行わない。このため、電力計２５が不要であり、設けられていない。すなわち、第１燃料電池システム１０から電力系統Ｐｇへの電力供給が行われていない点で第１実施形態に係る燃料電池発電システム１と相違する。これにより、電力計２５（図２）の設置藻不要となり、設置コストが更に抑制される。

総合制御装置３０は、第１燃料電池システム１０の第１インバータ１０２に対しては、第２燃料電池システム２０ａ、２０ｂ、２０ｃの補機１０４、２０６の定格を満たす電力を供給するように、燃料電池システム１０の制御装置１０６を制御する。これにより、負荷電力が変動する可能性がある第２燃料電池システム２０ａ、２０ｂ、２０ｃの補機１０４、２０６は、第１燃料電池システム１０の第１インバータ１０２から電力供給される。このため、第２燃料電池システム２０ａ、２０ｂ、２０ｃの電力は安定的に電力系統Ｐｇに供給される。

これらから分かるように、総合制御装置３０は、第２燃料電池システム２０ａ、２０ｂ、２０ｃそれぞれの定格出力電力内で、総出力電力を割振ることが可能となる。この場合、上述したように、第２制御装置２０６ａ、２０６ｂ、２０６ｃの発電電力指令どおりの電力が電力系統Ｐｇに供給される。このため、第２燃料電池システム２０ａ、２０ｂ、２０ｃには、電力計を設け無くとも電力系統Ｐｇへの供給電力の値を取得可能となる。なお、第１燃料電池システム１０の起動時には、不足する電力を電力系統Ｐｇから受電して、第１燃料電池システム１０の補機１０４への供給が可能である。

図５は本実施形態に係る燃料電池発電システム１の発電処理の一例を示すフローチャートである。図５に示すように、先ず、電力系統Ｐｇからの電力を用いて補機１０４の運転を開始する（ステップＳ２００）。

次に、総合制御装置３０の制御に従い、制御装置１０６は、補機１０４、２０６の定格電力を満たすように、第１インバータ１０２の電力調整を制御する（ステップＳ２０２）。
次に、総合制御装置３０は、第１インバータ１０２の出力電力が定格に達したか否かを判断する（ステップＳ２０４）。第１インバータ１０２の出力電力が定格に達したと判断する場合に（ステップＳ２０４のＹＥＳ）、総合制御装置３０は、第２燃料電池システム２０ａ、２０ｂ、２０ｃの運転を開始する（ステップＳ２０６）。また、総合制御装置３０は、第１燃料電池システム１０の補機１０４の受電電力を第１インバータ１０２から供給される電力に切り替える。
一方で、第１インバータ１０２の出力電力が定格に達していないと判断する場合に（ステップＳ２０４のＮＯ）、総合制御装置３０は、ステップＳ２０４の処理を繰り返す。

次に、総合制御装置３０は、全体処理を終了するか否かを判断する（ステップＳ２０８）。全体処理を終了すると判断する場合に（ステップＳ２０８のＹＥＳ）、総合制御装置３０は、全体処理を終了する。一方で、全体処理を終了しないと判断する場合に（ステップＳ２０８のＮＯ）、総合制御装置３０は、ステップＳ２０８からの処理を繰り返す。

以上、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す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。これらの実施形態やその変形例は、発明の範囲や要旨に含まれると共に、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。

１：燃料電池発電システム、１０：第１燃料電池システム、２０ａ、２０ｂ、２０ｃ：第２燃料電池システム、２５：電力計、３０：総合制御装置、１００：燃料電池、１０２：第１インバータ、１０４：補機、２０２：インバータ、２０６：補機、Ｐｇ：電力系統。

Claims (8)

1. 水素含有ガスと酸素含有ガスを用いて発電する第１燃料電池と、
   前記第１燃料電池の発電を補助する第１補機と、
   前記第１燃料電池が発電する直流電力を交流電力に変換する第１インバータであって、電力系統と接続される第１電力線と接続され、前記第１電力線を介して前記電力系統との間における電力の入出力が可能であり、前記第１電力線に接続される第２電力線を介して電力を供給可能である第１インバータと、
   前記第１インバータの入出力電力を制御する第１制御装置と、
   を有する第１燃料電池発電システムと、
   水素含有ガスと酸素含有ガスを用いて発電する第２燃料電池と、
   前記第２電力線を介して電力を受電可能であり、前記第２燃料電池の発電を補助する第２補機と、
   前記第２燃料電池が発電する直流電力を交流電力に変換する第２インバータと、
   前記第２インバータの出力電力を制御する第２制御装置と、
   を有する第２燃料電池発電システムと、
   前記第１電力線において、前記第１電力線と前記第２電力線との分岐部よりも前記電力系統の側に配置され、前記電力系統に入出力される電力を計測する電力計と、
   を備える、燃料電池発電システム。
2. 前記電力計の計測する電力に基づき、前記第２制御装置を制御し、前記第２インバータから前記電力系統に供給する電力量を制御する総合制御装置を、
   更に備える、請求項１に記載の燃料電池発電システム。
3. 総合制御装置３０は、総発電電力から前記電力計の計測する電力を減算した電力を出力する出力指示を前記第２制御装置に行う、請求項２に記載の燃料電池発電システム。
4. 前記総合制御装置は、前記第１燃料電池の出力電力が所定値に達した後に、前記第２燃料電池の駆動を開始する、請求項３に記載の燃料電池発電システム。
5. 前記第２補機は三相電力を用いる、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の燃料電池発電システム。
6. 前記第２補機は単相電力を用いる、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の燃料電池発電システム。
7. 前記第１補機は、前記電力系統から電力の供給を受けることが可能である、請求項１に記載の燃料電池発電システム。
8. 水素含有ガスと酸素含有ガスを用いて発電する第１燃料電池と、
   前記第１燃料電池が発電する直流電力を交流電力に変換する第１インバータであって、電力系統と接続される第１電力線と接続され、前記第１電力線を介して前記電力系統との間における電力の入出力が可能であり、前記第１電力線に接続される第２電力線を介して電力を供給可能である第１インバータと、
   前記第１インバータの入出力電力を制御する第１制御装置と、
   を有する第１燃料電池発電システムと、
   水素含有ガスと酸素含有ガスを用いて発電する第２燃料電池と、
   前記第２電力線を介して電力を受電可能であり、前記第２燃料電池の発電を補助する第２補機と、
   前記第２燃料電池が発電する直流電力を交流電力に変換する第２インバータと、
   前記第２インバータの出力電力を制御する第２制御装置と、
   を有する第２燃料電池発電システムと、
   前記第１電力線において、前記第１電力線と前記第２電力線との分岐部よりも前記電力系統の側に配置され、前記電力系統に入出力される電力を計測する電力計と、
   を備える、燃料電池発電システムの制御方法であって、
   総発電電力から前記電力計の計測する電力を減算した電力を出力する出力指示を第２制御装置に行う燃料電池発電システムの制御方法。

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