JP2007242528A

JP2007242528A - 燃料電池コージェネレーションシステム

Info

Publication number: JP2007242528A
Application number: JP2006066000A
Authority: JP
Inventors: Kotaro Nakamura; 耕太郎中村; Masao Mabuchi; 雅夫馬渕; Seiji Oka; 誠治岡; Katsutaka Tanabe; 勝隆田邊; Takushi Kumagai; 卓志熊谷; Kenichi Inoue; 健一井上
Original assignee: Omron Corp; Omron Tateisi Electronics Co
Current assignee: Omron Corp
Priority date: 2006-03-10
Filing date: 2006-03-10
Publication date: 2007-09-20
Anticipated expiration: 2026-03-10
Also published as: JP5070717B2

Abstract

【課題】系統側が停電すると、連系運転を実行することができないため、燃料電池自体の劣化に繋がる。
【解決手段】燃料電池２Ｂと、第一系統３と、一般負荷４と、燃料電池からの直流電力を交流電力に変換し、この交流電力を一般負荷に供給するパワコン装置２Ｃと、第一系統からの電力で燃料電池の稼動に必要な動作を実行する補機２Ａとを有し、パワコン装置は、燃料電池及び第一系統間の連系運転を実行する燃料電池コージェネレーションシステム１であって、第二系統５と、第一系統側の停電を検出すると、第一系統から第二系統に切替えて、第二系統から補機に交流電力を供給し、補機への電力供給に応じて、燃料電池及び第二系統間の連系運転を開始することで余剰電力配分制御動作を実行可能にしたコントローラ６とを有している。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えば燃料電池の稼動に必要な改質器等の補機を使用する燃料電池コージェネレーションシステムに関する。

従来、このような燃料電池コージェネレーションシステムとしては、商用電源等の系統と、系統からの電力供給で、例えば天然ガスや灯油等の燃料を改質して水素を抽出する改質器等の補機と、この水素と空気中の酸素とを反応させることで直流電力を発電する燃料電池と、燃料電池及び系統間に配置された、例えば家電機器等の一般負荷と、燃料電池からの直流電力を交流電力に変換するパワーコンディショナ装置（以下、単にパワコン装置と称する）とを有し、パワコン装置は、燃料電池及び系統間の連系運転を実行して、一般負荷に電力供給している。

また、パワコン装置は、燃料電池及び系統間の連系運転中においては、一般負荷の負荷量が減少したとしても、燃料電池の出力量を変動させることなく、その余剰電力をダミー負荷に供給する余剰電力配分制御動作を実行することができ、この余剰電力配分制御動作を実行することで急激な出力変動に伴う燃料電池自体の劣化を確実に防止することができるものである。

しかしながら、このような燃料電池コージェネレーションシステムによれば、系統側で停電が発生すると、系統から補機への電力供給がなくなるため、補機の稼動が停止し、その結果、燃料電池の発電動作が停止してしまうことになる。

そこで、従来の燃料電池コージェネレーションシステムにおいては、無停電電源を予め準備しておき、系統側の停電を検出すると、無停電電源から補機に電力を供給するようにしたので、系統側が停電したとしても、補機の稼動が停止することはなく、燃料電池の発電動作を継続することができるものである（例えば特許文献１参照）。
特開２００５−２０３１４５号公報（要約書及び図1参照）

しかしながら、上記特許文献１の燃料電池コージェネレーションシステムによれば、系統側の停電を検出すると、無停電電源から補機に電力を供給するようにしたが、系統が停電状態であることから、パワコン装置では連系運転から自立運転に移行してしまうことになる。その結果、パワコン装置では、自立運転に移行すると、余剰電力配分制御動作を実行することができないことから、一般負荷の負荷量に追従した出力となり、このような急激な出力変動で燃料電池自体が劣化してしまうことが考えられる。

そこで、本発明は上記点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、系統側で停電が発生したとしても、連系運転を行うことで余剰電力配分制御動作を実行可能にし、その結果、急激な出力変動を防止することで燃料電池自体の劣化を確実に防止することができる燃料電池コージェネレーションシステムを提供することにある。

上記目的を達成するために本発明の燃料電池コージェネレーションシステムは、直流電力を発電する燃料電池と、商用電源で構成する第一系統と、前記燃料電池及び前記第一系統間に配置された一般負荷と、前記燃料電池からの直流電力を交流電力に変換し、この交流電力を前記一般負荷に供給するパワーコンディショナ装置と、前記第一系統からの電力供給で前記燃料電池の稼動に必要な動作を実行する補機とを有し、前記パワーコンディショナ装置は、前記燃料電池及び前記第一系統間の連系運転を実行することで余剰電力配分制御動作を実行可能にする燃料電池コージェネレーションシステムであって、前記第一系統側の停電を検出する停電検出手段と、前記第一系統とは異なる電源で構成する第二系統と、前記停電検出手段にて前記第一系統側の停電を検出すると、前記第一系統から前記第二系統に切替えて、前記第二系統から前記補機に交流電力を供給し、前記補機への電力供給に応じて、前記燃料電池及び前記第二系統間の連系運転を開始することで前記余剰電力配分制御動作を実行可能にした制御手段とを有するようにした。

従って、本発明の燃料電池コージェネレーションシステムによれば、系統側の停電を検出すると、前記第一系統から前記第二系統に切替えて、前記第二系統から前記補機に電力を供給し、前記補機への電力供給に応じて、前記燃料電池及び前記第二系統間の連系運転を開始することで前記余剰電力配分制御動作を実行可能にしたので、系統側で停電が発生したとしても、連系運転を行うことで余剰電力配分制御動作を実行可能にし、その結果、急激な出力変動を防止することで燃料電池自体の劣化を確実に防止することができる。

また、本発明の燃料電池コージェネレーションシステムは、前記第二系統が、直流電力を蓄電した蓄電池と、前記蓄電池からの直流電力を交流電力に変換する第二系統側パワーコンディショナ装置とを有し、前記制御手段からの指示に基づき、前記蓄電池及び前記第二系統側パワーコンディショナ装置を起動して、前記第二系統側パワーコンディショナ装置から交流電力を前記補機に供給するようにした。

従って、本発明の燃料電池コージェネレーションシステムによれば、第二系統側では、制御手段からの指示に基づき起動し、第二系統側パワーコンディショナ装置から交流電力を補機に供給するようにしたので、系統側で停電が発生したとしても、補機の稼動を継続し、その結果、燃料電池の発電動作を継続することができる。

また、本発明の燃料電池コージェネレーションシステムは、前記第一系統側の停電復旧を検出する停電復旧検出手段を有し、前記制御手段は、前記停電復旧検出手段にて前記第一系統側の停電復旧を検出すると、前記第二系統から前記第一系統に切替えて、前記第一系統から前記補機に交流電力を供給し、前記補機への電力供給に応じて、前記燃料電池及び前記第一系統間の連系運転を再開することで前記余剰電力配分制御動作を実行可能にした。

従って、本発明の燃料電池コージェネレーションシステムによれば、前記停電復旧検出手段にて前記第一系統側の停電復旧を検出すると、前記第二系統から前記第一系統に切替えて、前記第一系統から前記補機に交流電力を供給し、前記補機への電力供給に応じて、前記燃料電池及び前記第一系統間の連系運転を再開することで前記余剰電力配分制御動作を実行可能にしたので、第一系統側が停電復旧した場合、燃料電池及び第一系統間の連系運転を再開して余剰電力配分制御動作を実行可能にすることができる。

また、本発明の燃料電池コージェネレーションシステムは、前記パワーコンディショナ装置及び前記第一系統間を電気的に接続する切替手段を配置し、前記制御手段は、前記停電検出手段にて前記第一系統側の停電を検出すると、前記パワーコンディショナ装置及び前記第一系統間の電気的接続を遮断すべく、前記切替手段を制御するようにした。

従って、本発明の燃料電池コージェネレーションシステムによれば、前記停電検出手段にて前記第一系統側の停電を検出すると、前記パワーコンディショナ装置及び前記第一系統間の電気的接続を遮断すべく、前記切替手段を制御するようにしたので、第一系統側の停電復旧に伴う過電圧保護を図ることができる。

上記のように構成された本発明の燃料電池コージェネレーションシステムによれば、系統側の停電を検出すると、前記第一系統から前記第二系統に切替えて、前記第二系統から前記補機に電力を供給し、前記補機への電力供給に応じて、前記燃料電池及び前記第二系統間の連系運転を開始することで前記余剰電力配分制御動作を実行可能にしたので、系統側で停電が発生したとしても、連系運転を行うことで余剰電力配分制御動作を実行可能にし、その結果、急激な出力変動を防止することで燃料電池自体の劣化を確実に防止することができる。

以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を示す燃料電池コージェネレーションシステムについて説明する。図１は本実施の形態を示す燃料電池コージェネレーションシステム内部の概略構成を示すブロック図である。

図１に示す燃料電池コージェネレーションシステム１は、燃料電池で電力を発電する燃料電池発電機２と、商用電源で構成する第一系統３と、燃料電池発電機２及び第一系統３間に配置された、例えば家電機器等の一般負荷４と、第一系統３の停電時に起動を開始する第二系統５と、燃料電池コージェネレーションシステム１全体を制御するコントローラ６とを有している。

燃料電池発電機２は、第一系統３からの電力供給で、例えば天然ガスや灯油等の燃料を改質して水素を抽出する改質器等の補機２Ａと、この水素と空気中の酸素とを反応させることで直流電力を発電する燃料電池２Ｂと、燃料電池２Ｂ及び第一系統３間に配置され、燃料電池２Ｂからの直流電力を交流電力に変換するパワコン装置２Ｃとを有し、パワコン装置２Ｃは、燃料電池２Ｂ及び第一系統３間の連系運転を実行して交流電力を一般負荷４に供給するものである。

また、第二系統５は、直流電力を蓄積した第二系統側バッテリ５Ａと、第二系統側バッテリ５Ａからの直流電力を交流電力に変換出力する第二系統側パワコン装置５Ｂとを有している。

また、コントローラ６は、通信ライン６Ａを通じて燃料電池発電機２及び第二系統５と通信し、これら燃料電池発電機２及び第二系統５を制御するものである。

また、燃料電池コージェネレーションシステム１では、パワコン装置２Ｃ及び一般負荷４間を電気的に接続する第１接点スイッチ７Ａと、パワコン装置２Ｃ及び第二系統５間を電気的に接続する第２接点スイッチ７Ｂと、パワコン装置２Ｃ及び第一系統３間を電気的に接続する第３接点スイッチ７Ｃと、パワコン装置２Ｃ及びダミー負荷８間を電気的に接続する余剰電力配分制御用スイッチ９とを有し、コントローラ６は、第１接点スイッチ７Ａ、第２接点スイッチ７Ｂ、第３接点スイッチ７Ｃ及び余剰電力配分制御用スイッチ９をＯＮ／ＯＦＦ制御するものである。

また、コントローラ６は、例えば燃料電池２Ｂ及び第一系統３間の連系運転中においてパワコン装置２Ｃの出力電力が一般負荷４の消費電力を上回る場合、その余剰電力をダミー負荷８に電力供給すべく、余剰電力配分制御用スイッチ９をＯＮ制御するものである。

また、燃料電池発電機２内部のパワコン装置２Ｃは、燃料電池２Ｂ及び第一系統３間の連系運転中に第一系統３側の停電を監視する停電検出部２１を備え、停電検出部２１にて第一系統３側の停電を検出すると、通信ライン６Ａを通じて停電検出信号をコントローラ６に通知するものである。

さらに、コントローラ６は、停電検出信号を検出すると、第二系統５を起動させるべく、起動信号を第二系統５に出力すると共に、第一系統３の停電時に系統電圧を監視し、系統電圧を検知すると、第一系統３側の停電復旧であると判断して、通信ライン６Ａを通じて第二系統５に停止信号を出力するものである。

尚、請求項記載の燃料電池コージェネレーションシステムは燃料電池コージェネレーションシステム１、燃料電池は燃料電池２Ｂ、第一系統は第一系統３、一般負荷は一般負荷４、パワーコンディショナ装置はパワコン装置２Ｃ、補機は補機２Ａ、停電検出手段は停電検出部２１及びコントローラ６、第二系統は第二系統５、制御手段はコントローラ６、蓄電池は第二系統側バッテリ５Ａ、第二系統側パワーコンディショナ装置は第二系統側パワコン装置５Ｂ、停電復旧検出手段はコントローラ６、切替手段は第３接点スイッチ７Ｃに相当するものである。

次に本実施の形態を示す燃料電池コージェネレーションシステム１の動作について説明する。図２は本実施の形態を示す燃料電池コージェネレーションシステム１の停電・復旧処理に関わるコントローラ６の処理動作を示すフローチャートである。

図２に示す停電・復旧処理とは、燃料電池２Ｂ及び第一系統３間の連系運転中に第一系統３側の停電を検出すると、第二系統５から補機２Ａに電力を供給して燃料電池２Ｂ及び第二系統５間の連系運転を開始すると共に、燃料電池２Ｂ及び第二系統５間の連系運転中に第一系統３側の停電復旧を検出すると、第一系統３から補機２Ａへの電力供給を再開して燃料電池２Ｂ及び第一系統３間の連系運転を再開する処理である。

図２においてコントローラ６は、第一系統３及び燃料電池２Ｂ間の連系運転中に、通信ライン６Ａを通じてパワコン装置２Ｃから停電検出信号を検出したか否かを判定する（ステップＳ１１）。尚、パワコン装置２Ｃ内部の停電検出部２１は、第一系統３側の停電を検出すると、停電検出信号をコントローラ６に通知するものである。

コントローラ６は、停電検出信号を検出したと判定されると、通信ライン６Ａを通じて第二系統５に対して起動開始を促す起動信号を出力する（ステップＳ１２）。尚、第二系統５は、起動信号を検出すると、第二系統側バッテリ５Ａ及び第二系統側パワコン装置５Ｂを起動して第二系統側パワコン装置５Ｂの自立運転を開始することになる。

さらに、コントローラ６は、パワコン装置２Ｃ及び第一系統３間を電気的に遮断すべく、第３接点スイッチ７ＣをＯＦＦ制御する（ステップＳ１３）。尚、第３接点スイッチ７ＣのＯＦＦ制御は、第一系統３側の停電復旧に伴う過電圧保護のためである。

さらに、コントローラ６は、パワコン装置２Ｃ及び一般負荷４間を電気的に遮断すべく、第１接点スイッチ７ＡをＯＦＦ制御すると共に、パワコン装置２Ｃ及び第二系統５間を電気的に接続すべく、第２接点スイッチ７ＢをＯＮ制御する（ステップＳ１４）。尚、第１接点スイッチ７ＡのＯＦＦ制御は、第二系統５に対する過負荷防止のためである。また、第２接点スイッチ７ＢのＯＮ制御は、第二系統側パワコン装置５Ｂからの交流電力を補機２Ａに電力供給し、その結果、補機２Ａの電力供給に応じて、燃料電池２Ｂは発電動作を再開することになる。

そして、燃料電池発電機２内のパワコン装置２Ｃは、燃料電池２Ｂ及び第二系統５間の連系運転を開始することになる。

そして、コントローラ６は、パワコン装置２Ｃによる燃料電池２Ｂ及び第二系統５間の連系運転を開始すると、パワコン装置２Ｃ及び一般負荷４間を電気的に接続すべく、第１接点スイッチ７ＡをＯＮ制御することになる(ステップＳ１５)。この際、パワコン装置２Ｃは、燃料電池２Ｂ及び第二系統５間の連系運転中であるため、例えば一般負荷４の負荷量が減少したとしても、燃料電池２Ｂの出力を変動させることなく、余剰電力配分制御用スイッチ９をＯＮ制御することで、その余剰電力をダミー負荷８に供給する余剰電力配分制御動作を実行することができる。

また、コントローラ６は、第一系統３側が停電中であっても、第一系統３側の系統電圧を監視して、同系統電圧を検知したか否かを判定する(ステップＳ１６)。

コントローラ６は、第一系統３側の系統電圧を検知したと判定されると、第一系統３側の停電が復旧したものと判断し、パワコン装置２Ｃ及び一般負荷４間を電気的に遮断すべく、第１接点スイッチ７ＡをＯＦＦ制御、パワコン装置２Ｃ及び第二系統５間を電気的に遮断すべく、第２接点スイッチ７ＢをＯＦＦ制御、パワコン装置２Ｃ及び第一系統３間を電気的に接続すべく、第３接点スイッチ７ＣをＯＮ制御する (ステップＳ１７)。尚、第１接点スイッチ７ＡのＯＦＦ制御は、第二系統５に対する過負荷防止のためである。第２接点スイッチ７ＢのＯＦＦ制御は、第二系統５から補機２Ａに対する電力の供給を停止するためである。

また、第３接点スイッチ７ＣのＯＮ制御は、停電復旧した第一系統３から補機２Ａへの電力供給を再開し、その結果、補機２Ａの電力供給に応じて、燃料電池２Ｂは発電動作を継続することになる。そして、燃料電池発電機２内のパワコン装置２Ｃは、燃料電池２Ｂ及び第一系統３間の連系運転を再開することになる。

また、コントローラ６は、通信ライン６Ａを通じて第二系統５に対して停止信号を出力する（ステップＳ１８）。尚、第二系統５は、停止信号を検出すると、第二系統側バッテリ５Ａ及び第二系統側パワコン装置５Ｂの運転を停止することになる。

さらに、コントローラ６は、パワコン装置２Ｃ及び一般負荷４間を電気的に接続すべく、第１接点スイッチ７ＡをＯＮ制御することで（ステップＳ１９）、この処理動作を終了する。この際、パワコン装置２Ｃは、燃料電池２Ｂ及び第一系統３間の連系運転中であるため、例えば一般負荷４の負荷量が減少したとしても、燃料電池２Ｂの出力を変動させることなく、余剰電力配分制御用スイッチ９をＯＮ制御することで、その余剰電力をダミー負荷８に供給する余剰電力配分制御動作を実行することができる。

また、コントローラ６は、ステップＳ１１にて停電検出信号を検出したのでなければ、この処理動作を終了する。

本実施の形態によれば、第一系統３側の停電を検出すると、第一系統３から第二系統５に切替えて、第二系統５から補機２Ａに電力を供給し、補機２Ａへの電力供給に応じて、燃料電池２Ｂ及び第二系統５間の連系運転を開始することで余剰電力配分制御動作を実行可能にしたので、第一系統３側で停電が発生したとしても、連系運転を行うことで余剰電力配分制御動作を実行可能にし、その結果、急激な出力変動を防止することで燃料電池２Ｂ自体の劣化を確実に防止することができる。

また、本実施の形態によれば、第二系統５側では、コントローラ６からの指示に基づき起動し、第二系統側パワコン装置５Ｂから交流電力を補機２Ａに供給するようにしたので、第一系統３側で停電が発生したとしても、補機２Ａの稼動を継続し、その結果、燃料電池２Ｂの発電動作を継続することができる。

また、本実施の形態によれば、第一系統３側の停電復旧を検出すると、第二系統５から第一系統３に切替えて、第一系統３から補機２Ａに交流電力を供給し、補機２Ａへの電力供給に応じて、燃料電池２Ｂ及び第一系統３間の連系運転を再開することで余剰電力配分制御動作を実行可能にしたので、第一系統３側が停電復旧した場合、燃料電池２Ｂ及び第一系統３間の連系運転を再開して余剰電力配分制御動作を実行可能にすることができる。

また、本実施の形態によれば、第一系統３側の停電を検出すると、パワコン装置２Ｃ及び第一系統３間の電気的接続を遮断すべく、第３接点スイッチ７ＣをＯＦＦ制御するようにしたので、第一系統３側の停電復旧に伴う過電圧保護を図ることができる。

尚、上記実施の形態においては、補機２Ａとして改質器を例に挙げて説明したが、燃料電池２Ｂを稼動させるに必要な機器、例えば燃料電池２Ｂ内の水素と酸素との反応で生じる熱を回収する熱回収器や、ポンプ、ブロワ、弁類、センサや流量計等の補機であっても、同様の効果が得られることは言うまでもない。

上記のように構成された本発明の燃料電池コージェネレーションシステムによれば、系統側で停電が発生したとしても、自立運転ではなく、連系運転を行うことで余剰電力配分制御動作を実行可能にし、その結果、急激な出力変動を防止することで燃料電池自体の劣化を確実に防止することができるため、例えば補機を使用する、天然ガスや灯油等の燃料電池コージェネレーションシステムに有用である。

本発明の実施の形態を示す燃料電池コージェネレーションシステム内部の概略構成を示すブロック図である。本実施の形態を示す燃料電池コージェネレーションシステムの停電・復旧処理に関わるコントローラの処理動作を示すフローチャートである。

符号の説明

１燃料電池コージェネレーションシステム
２Ａ補機
２Ｂ燃料電池
２Ｃパワコン装置（パワーコンディショナ装置）
３第一系統
４一般負荷
５第二系統
５Ａ第二系統側バッテリ（蓄電池）
５Ｂ第二系統側パワコン装置（第二系統側パワーコンディショナ装置）
６コントローラ（制御手段）
７Ｃ第３接点スイッチ（切替手段）
２１停電検出部（停電検出手段、停電復旧検出手段）

Claims

直流電力を発電する燃料電池と、商用電源で構成する第一系統と、前記燃料電池及び前記第一系統間に配置された一般負荷と、前記燃料電池からの直流電力を交流電力に変換し、この交流電力を前記一般負荷に供給するパワーコンディショナ装置と、前記第一系統からの電力供給で前記燃料電池の稼動に必要な動作を実行する補機とを有し、前記パワーコンディショナ装置は、前記燃料電池及び前記第一系統間の連系運転を実行することで余剰電力配分制御動作を実行可能にする燃料電池コージェネレーションシステムであって、
前記第一系統側の停電を検出する停電検出手段と、
前記第一系統とは異なる電源で構成する第二系統と、
前記停電検出手段にて前記第一系統側の停電を検出すると、前記第一系統から前記第二系統に切替えて、前記第二系統から前記補機に交流電力を供給し、前記補機への電力供給に応じて、前記燃料電池及び前記第二系統間の連系運転を開始することで前記余剰電力配分制御動作を実行可能にした制御手段とを有することを特徴とする燃料電池コージェネレーションシステム。
前記第二系統は、
直流電力を蓄電した蓄電池と、
前記蓄電池からの直流電力を交流電力に変換する第二系統側パワーコンディショナ装置とを有し、前記制御手段からの指示に基づき、前記蓄電池及び前記第二系統側パワーコンディショナ装置を起動して、前記第二系統側パワーコンディショナ装置から交流電力を前記補機に供給することを特徴とする請求項１記載の燃料電池コージェネレーションシステム。
前記第一系統側の停電復旧を検出する停電復旧検出手段を有し、
前記制御手段は、
前記停電復旧検出手段にて前記第一系統側の停電復旧を検出すると、前記第二系統から前記第一系統に切替えて、前記第一系統から前記補機に交流電力を供給し、前記補機への電力供給に応じて、前記燃料電池及び前記第一系統間の連系運転を再開することで前記余剰電力配分制御動作を実行可能にしたことを特徴とする請求項１又は２記載の燃料電池コージェネレーションシステム。
前記パワーコンディショナ装置及び前記第一系統間を電気的に接続する切替手段を配置し、
前記制御手段は、
前記停電検出手段にて前記第一系統側の停電を検出すると、前記パワーコンディショナ装置及び前記第一系統間の電気的接続を遮断すべく、前記切替手段を制御することを特徴とする請求項１乃至３の何れか一に記載の燃料電池コージェネレーションシステム。