JP7299818B2 - 燃料電池システムおよび燃料電池システムの制御方法 - Google Patents

Description

本発明による実施形態は、燃料電池システムおよび燃料電池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、燃料電池システムが知られている。この燃料電池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直接電気を取り出すものである。燃料電池システム等の分散型電源は、電力系統に系統連系されて運転する。電力系統に系統異常が発生した場合、燃料電池システムは、電力系統から切り離される（解列）必要がある。また、電力系統が正常になった後も、電力系統との連系が可能になるまで一定期間は待つ必要がある。この一定期間の経過後に、できるだけ速やかに再び系統に連系することで、燃料電池システムから負荷へ電力を供給することができる。

しかし、一般に、燃料電池システムが起動してから発電を開始するまでに、数分かかってしまう。従って、再連系可能になった時点で燃料電池システムが起動する場合、再連系の開始は再連系可能時点から数分後になってしまう。

特開２００８－９２７６７号公報

そこで、本発明による実施形態は、電力系統との系統連系をより早く行うことができる燃料電池システムおよび燃料電池システムの制御方法を提供することを課題とする。

本実施形態による燃料電池システムは、燃料電池と、インバータと、系統状態検出部と、発電制御部と、を備える。燃料電池は、水素含有ガスと酸素含有ガスとを用いて発電する。インバータは、燃料電池の発電により生じる直流電流を交流電流に変換し、電力系統と系統連系する。系統状態検出部は、電力系統が正常状態であるか異常状態であるかを検出する。発電制御部は、系統状態検出部の検出結果に基づいて、燃料電池およびインバータを制御する。発電制御部は、電力系統が異常状態から正常状態になった場合、系統連系が禁止される連系禁止期間中に、停止している燃料電池を起動させる。

第１実施形態による燃料電池システムの構成の一例を示すブロック図。 第１実施形態による系統連系のタイミングの一例を示す図。 第１実施形態による燃料電池システムの動作例を示すフロー図。 変形例による系統連系のタイミングの一例を示す図。

以下、図面を参照して本発明に係る実施形態を説明する。本実施形態は、本発明を限定するものではない。

図面は模式的または概念的なものであり、各部分の比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。明細書と図面において、既出の図面に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。

（第１実施形態）
図１は、第１実施形態による燃料電池システム１の構成の一例を示すブロック図である。図１に示すように、燃料電池システム１は、電力系統２と接続されて系統連系運転が可能である。すなわち、燃料電池システム１は、電力系統２に電力供給が可能なシステムである。より具体的には、燃料電池システム１は、燃料電池１０と、インバータ２０と、系統状態検出部３０と、起動時間算出部４０と、発電制御部５０と、を備えている。

燃料電池１０は、水素（Ｈ_２）を含有するガスである水素含有ガスと、酸素（Ｏ_２）を含有するガスである酸素含有ガスとを用いて発電する。水素含有ガスは、例えば、供給管を介して供給される。燃料電池１０には、補機１１が接続して設けられている。補機１１は、燃料電池１０を動作させ、または、燃料電池１０の発電を補助する。補機１１は、例えば、燃料電池１０に流体を流すためのポンプやブロア、弁である。また、補機１１は、温度制御のためのヒータなどであってもよい。

インバータ２０は、燃料電池１０の発電により生じる直流電流を交流電流に変換し、電力系統２と系統連系する。インバータ２０は、燃料電池１０の電極に接続され、燃料電池１０の発電量を調整する。インバータ２０は、例えば、燃料電池１０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、インバータ２０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１０の発電電力を調整する。この交流電力の周波数は、電力系統２の周波数に同期される。また、インバータ２０には、電力系統２との間に、系統連系遮断器が設けられてもよい。系統連系遮断器は、例えば、発電制御部５０により制御され、インバータ２０と電力系統２との接続を開閉する。

系統状態検出部３０は、電力系統２の状態を検出する。より詳細には、系統状態検出部３０は、電力系統２が正常状態であるか異常状態であるかを検出する。電力系統２の異常状態は、停電や系統異常が発生した状態である。系統異常は、例えば、電圧や周波数の乱れである。正常状態は、異常状態ではない場合の電力系統２の状態である。例えば、系統状態検出部３０は、電力系統２の電圧や周波数等を検出する。系統状態検出部３０は、電力系統２の電圧または周波数に基づいて、電力系統２が正常状態であるか異常状態であるかを検出する。例えば、系統状態検出部３０は、或る期間以上、電圧または周波数が所定範囲内である場合、電力系統２が正常状態であると判断する。一方、系統状態検出部３０は、或る期間以上、電圧または周波数が所定範囲を超える場合、電力系統２が異常状態であると判断する。系統状態検出部３０は、電力系統２の状態に関する信号を発電制御部５０に送る。

起動時間算出部４０は、燃料電池１０の起動時間ｔｓを算出する。起動時間ｔｓは、停止した燃料電池１０の起動開始から発電開始までの時間であり、例えば、５分である。起動時間ｔｓは、例えば、酸素や水素を燃料電池１０に供給するために必要な時間や、ヒータにより酸素や水素を加温して反応させるために必要な時間などである。起動時間ｔｓは、外気温等の影響を受けて変化する場合がある。そこで、起動時間算出部４０は、例えば、温度計（図示せず）から外気温を取得し、外気温に基づいて、燃料電池１０の起動時間ｔｓを算出する。例えば、外気温と起動時間ｔｓとの関係を示す数式などが、起動時間算出部４０に格納されている。起動時間算出部４０は、算出した起動時間ｔｓを発電制御部５０に送る。

発電制御部５０は、系統状態検出部３０の検出結果に基づいて、燃料電池１０およびインバータ２０を制御する。より詳細には、発電制御部５０は、電力系統２が正常状態から異常状態になった場合、燃料電池１０およびインバータ２０を停止させる。例えば、発電制御部５０は、電力系統２に系統異常が発生している場合、燃料電池１０に発電を停止させ、インバータ２０を電力系統２から切り離す（解列する）。これにより、電力系統２への悪影響を抑制することができる。また、停電発生時において、電力系統２への電力供給を停止することができる。発電制御部５０は、例えば、補機１１に信号を送り、燃料電池１０の制御をすればよく、インバータ２０に信号を送り、解列の制御をすればよい。

また、発電制御部５０は、電力系統２が異常状態から正常状態になった場合、系統連系が禁止される連系禁止期間中に、停止している燃料電池１０を起動させる。また、発電制御部５０は、連系禁止期間の終了後に、インバータ２０に電力系統２と系統連系させる。これにより、燃料電池１０の起動にかかる時間を連系禁止期間と重複させ、電力系統２との系統連系をより早く行うことができる。例えば、発電制御部５０は、燃料電池１０の起動後、インバータ２０に信号を送り、再連系の制御をすればよい。再連系とは、電力系統２と解列された燃料電池システム１に、再び系統連系を開始させることである。発電制御部５０は、例えばＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）を含んで構成される。

また、発電制御部５０は、連系禁止期間および起動時間ｔｓに基づいて、停止している燃料電池１０を起動させる。より詳細には、発電制御部５０は、連系禁止期間の終了時の起動時間ｔｓ前に、停止している燃料電池１０を起動させる。尚、系統連系のタイミングの詳細については、図２を参照して、後で説明する。

連系禁止期間は、電力系統２が異常状態から正常状態になった時点から第２所定時間ｔｐ２が経過するまでの期間である。再連系は、連系禁止期間が終了した場合、すなわち、電力会社からの許可が得られた場合に行われる。連系禁止期間（第２所定時間ｔｐ２）は、例えば、電力会社により決定され、インバータ２０に予め設定される。尚、連系禁止期間は、電力系統２が異常状態である期間が含まれていてもよい。従って、以下では、電力系統２が異常状態である期間と、第２所定時間ｔｐ２との和を連系禁止期間とする場合がある。

次に、図２を参照して、電力系統２との系統連系のタイミングについて説明する。

図２は、第１実施形態による系統連系のタイミングの一例を示す図である。「系統状態」は、電力系統２が正常状態であるか異常状態であるかを示す。「連系状態」は、系統連系が行われているか否かを示す。「発電状態」は、燃料電池１０の動作状態を示す。図２に示す連系禁止期間は、電力系統２が正常状態から異常状態になった時点から、第２所定時間ｔｐ２が経過するまでの期間（ｔ２０～ｔ５０）である。

まず、ｔ１０において、電力系統２は正常状態である。従って、燃料電池１０は発電し、系統連系が行われている。従って、燃料電池１０で発電された電力が電力系統２に供給されている。

次に、ｔ２０において、電力系統２に異常が発生し、電力系統２が正常状態から異常状態になる。この場合、発電制御部５０は、燃料電池１０を停止させ、インバータ２０の停止により解列させる（非連系）。

次に、ｔ３０において、電力系統２の復帰により、電力系統２が異常状態から正常状態になる。

次に、ｔ４０において、発電制御部５０は、燃料電池１０を起動させる。図２に示すように、ｔ４０は、連系禁止期間中であり、連系禁止期間の終了時（ｔ５０）の起動時間ｔｓ前である。

次に、ｔ５０において、発電制御部５０は、インバータ２０に電力系統２と再連系させる。すなわち、発電制御部５０は、連系禁止期間の終了時ｔ５０に、インバータ２０に電力系統２と系統連系させる。図２に示すように、ｔ５０は、連系禁止期間の終了時である。従って、ｔ５０以降に、インバータ２０は再連系可能になる。図２では、連系禁止期間の終了と再連系の開始とがほぼ同時である。従って、再連系可能になった直後、燃料電池１０は起動完了して発電を開始し、電力系統２との再連系が行われる。この結果、燃料電池１０の起動にかかる待ち時間を抑制して、電力系統２との系統連系をより早く行うことができる。

発電制御部５０は、上記のように、自動で再連系を開始する。しかし、これに限られず、発電制御部５０は、例えば、燃料電池１０を起動させるタイミング（ｔ４０）を燃料電池システム１の外部の作業者に知らせてもよい。この場合、作業者は、燃料電池１０を起動させる指令を発電制御部５０に送る。

図３は、第１実施形態による燃料電池システム１の動作例を示すフロー図である。

まず、起動時間算出部４０は、起動時間ｔｓを算出する（Ｓ１０）。

次に、系統状態検出部３０は、電力系統２が正常状態から異常状態になったか否かを判定する（Ｓ２０）。電力系統２が正常状態である場合（Ｓ２０のＮＯ）、系統状態検出部３０は、再びステップＳ２０を実行する。従って、電力系統２が異常状態になるまで、ステップＳ２０が繰り返し実行される。一方、電力系統２が異常状態になった場合（Ｓ２０のＹＥＳ）、ステップＳ３０が実行される。

次に、発電制御部５０は、燃料電池１０およびインバータ２０を停止させる（Ｓ３０）。従って、燃料電池１０は発電を停止し、インバータ２０は電力系統２と解列する。

次に、系統状態検出部３０は、電力系統２が異常状態から正常状態になったか否かを判定する（Ｓ４０）。電力系統２が異常状態である場合（Ｓ４０のＮＯ）、系統状態検出部３０は、再びステップＳ４０を実行する。従って、電力系統２が正常状態になるまで、ステップＳ４０が繰り返し実行される。一方、電力系統２が正常状態になった場合（Ｓ４０のＹＥＳ）、ステップＳ５０が実行される。

次に、発電制御部５０は、起動時間算出部４０から起動時間ｔｓを取得する（Ｓ５０）。

次に、発電制御部５０は、連系禁止期間の終了時の起動時間ｔｓ前に、燃料電池１０を起動させる（Ｓ６０）。

次に、発電制御部５０は、インバータ２０に電力系統２と再連系させる（Ｓ７０）。すなわち、インバータ２０は、電力系統２と再連系する。従って、燃料電池１０により発電された電力は、電力系統２へ供給される。

尚、起動時間ｔｓの算出は、ステップＳ１０に限られず、ステップＳ４０の前に行われていればよい。

以上のように、第１実施形態によれば、発電制御部５０は、電力系統２が異常状態から正常状態になった場合、連系禁止期間中に、停止している燃料電池１０を起動させる。これにより、燃料電池１０の起動にかかる時間を連系禁止期間と重複させ、電力系統２との系統連系（再連系）をより早く行うことができる。この結果、より早く電力系統２へ電力を供給することができる。また、発電制御部５０は、連系禁止期間の終了時の起動時間ｔｓ前に燃料電池１０を起動させる。これにより、連系禁止期間の終了時と燃料電池１０の起動完了時（発電開始時）とをより近づけることができる。すなわち、連系禁止期間の終了後、すぐに再連系を行うことができる。

連系禁止期間直後に再連系を行う方法として、ダミー抵抗が設けられ、連系禁止期間中も発電を継続する方法が知られている。この場合、発電量に対応するダミー抵抗が燃料電池システム内に設けられる。従って、発電量によっては、設置スペースの増大やコストアップにつながる可能性がある。

これに対して、第１実施形態では、連系禁止期間中には発電が行われないため、ダミー抵抗が設けられる必要がない。従って、設置スペースの増大やコストアップを抑制することができる。

尚、インバータ２０は、系統状態検出部３０を有していてもよい。この場合、インバータ２０は、パワーコンディショナを呼ばれる。

（変形例）

図４は、変形例による系統連系のタイミングの一例を示す図である。第１実施形態の変形例は、燃料電池１０の起動開始時間を遅らせるマージンが設定される点で、第１実施形態と異なる。

例えば、算出される起動時間ｔｓと燃料電池１０の実際の起動時間との誤差などによっては、連系禁止期間の経過前に、燃料電池１０の起動が完了してしまう場合がある。この場合、燃料電池１０を再度起動する必要があり、水素や時間の無駄が生じる可能性がある。そこで、燃料電池１０の起動開始を遅らせるマージンＭが設定される。マージンＭは、起動時間ｔｓより短い時間で、任意に設定されればよい。

発電制御部５０は、連系禁止期間の終了時の第１所定時間ｔｐ１前に、停止している燃料電池１０を起動させる。また、第１所定時間ｔｐ１は、起動時間ｔｓよりも短い時間である。図４に示す例では、発電制御部５０は、ｔ４０からマージンＭが経過したｔ４５において、燃料電池１０を起動させる。従って、第１所定時間ｔｐ１であるｔ４５～ｔ５０は、マージンＭ（ｔ４０～ｔ４５）だけ起動時間ｔｓ（ｔ４０～ｔ５０）よりも短くなっている。これにより、連系禁止期間の終了時ｔ５０の前に、燃料電池１０の起動が完了してしまうことを抑制することができる。従って、燃料電池１０の再度の起動による水素や時間の無駄を抑制することができる。燃料電池１０の起動後、ｔ６０において、発電および電力系統２との再連系が行われる。

変形例による燃料電池システム１は、第１実施形態と同様の効果を得ることができる。また、変形例では、連系禁止期間の終了時ｔ５０の前に、燃料電池１０の起動が完了してしまうことを抑制することができる。

本実施形態による燃料電池システム１および燃料電池システム１の制御方法の少なくとも一部は、ハードウェアで構成してもよいし、ソフトウェアで構成してもよい。ソフトウェアで構成する場合には、燃料電池システム１および燃料電池システム１の制御方法の少なくとも一部の機能を実現するプログラムをフレキシブルディスクやＣＤ－ＲＯＭ等の記録媒体に収納し、コンピュータに読み込ませて実行させてもよい。記録媒体は、磁気ディスクや光ディスク等の着脱可能なものに限定されず、ハードディスク装置やメモリなどの固定型の記録媒体でもよい。また、燃料電池システム１および燃料電池システム１の制御方法の少なくとも一部の機能を実現するプログラムを、インターネット等の通信回線（無線通信も含む）を介して頒布してもよい。さらに、同プログラムを暗号化したり、変調をかけたり、圧縮した状態で、インターネット等の有線回線や無線回線を介して、あるいは記録媒体に収納して頒布してもよい。

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同様に、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ものである。

１ 燃料電池システム、２ 電力系統、１０ 燃料電池、２０ インバータ、３０ 系統状態検出部、４０ 起動時間算出部、５０ 発電制御部、ｔｓ 起動時間、ｔｐ１ 第１所定時間、ｔｐ２ 第２所定時間

Claims (9)

1. 水素含有ガスと酸素含有ガスとを用いて発電する燃料電池と、
   前記燃料電池の発電により生じる直流電流を交流電流に変換し、電力系統と系統連系するインバータと、
   前記電力系統が正常状態であるか異常状態であるかを検出する系統状態検出部と、
   前記系統状態検出部の検出結果に基づいて、前記燃料電池および前記インバータを制御する発電制御部と、
   前記燃料電池の起動時間を算出する起動時間算出部と、
   を備え、
   前記発電制御部は、前記電力系統が前記異常状態から前記正常状態になった場合、前記系統連系が禁止される連系禁止期間の終了時以降に前記燃料電池の起動が完了するように、前記連系禁止期間および前記起動時間に基づいた前記連系禁止期間中のタイミングで、停止している前記燃料電池の起動を開始させる、燃料電池システム。
2. 前記発電制御部は、前記連系禁止期間の終了時に前記燃料電池の起動が完了するように、前記連系禁止期間の終了時よりも前記起動時間前のタイミングで、停止している前記燃料電池の起動を開始させる、請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記発電制御部は、前記連系禁止期間の終了後に前記燃料電池の起動が完了するように、前記連系禁止期間の終了時よりも第１所定時間前のタイミングで、停止している前記燃料電池の起動を開始させ、
   前記第１所定時間は、前記起動時間よりも短い、請求項１に記載の燃料電池システム。
4. 前記起動時間算出部は、外気温に基づいて、前記起動時間を算出する、請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
5. 前記発電制御部は、前記連系禁止期間の終了後に、前記インバータに前記電力系統と系統連系させる、請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
6. 前記連系禁止期間は、前記電力系統が前記異常状態から前記正常状態になった時点から第２所定時間が経過するまでの期間である、請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
7. 前記系統状態検出部は、前記電力系統の電圧または周波数に基づいて、前記電力系統が前記正常状態であるか前記異常状態であるかを検出する、請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
8. 前記発電制御部は、前記電力系統が前記正常状態から前記異常状態になった場合、前記燃料電池および前記インバータを停止させる、請求項１から請求項７のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
9. 水素含有ガスと酸素含有ガスとを用いて発電する燃料電池と、
   前記燃料電池の発電により生じる直流電流を交流電流に変換し、電力系統と系統連系するインバータと、
   前記燃料電池の起動時間を算出する起動時間算出部と、
   を備える燃料電池システムの制御方法であって、
   前記電力系統が正常状態であるか異常状態であるかを系統状態検出部により検出し、
   前記系統状態検出部の検出結果に基づいて、前記燃料電池および前記インバータを発電制御部により制御する、
   ことを具備し、
   前記電力系統が前記異常状態から前記正常状態になった場合、前記系統連系が禁止される連系禁止期間の終了時以降に前記燃料電池の起動が完了するように、前記連系禁止期間および前記起動時間に基づいた前記連系禁止期間中のタイミングで、停止している前記燃料電池の起動を前記発電制御部により開始させる、
   ことをさらに具備する、燃料電池システムの制御方法。

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