JPS6270918A - 燃料電池発電システムの運転方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の技術分野〕 本発明は燃料電池の直流出力をインバータ回路、あるい
はチョッパ回路とインバータ回路からなる電力変換装置
によって交流に変換し電力系統または負荷へ電力を供給
する燃料電池システムの運転方法に関するものである。

〔発明の技術的背景とその問題点〕

近年、益々厳しくなるエネルギー情勢を背景にして燃料
電池発電システムは天然ガス、石炭などの化石燃料資源
を有効に活用でき高い°電力変換効率が得られること、
また排出ガス等の汚染物が少ないこと等の利点を有して
いるため、火力発電所の置換えとして大規模集中形ない
しは中小規模分散配置形の発電システムとしての構想が
進められている。ところで燃料電池は負荷の変化に対し
て比較的電圧変動が大きいことが一つの特徴として知ら
れている。燃料電池の一般的な放電特性としては第２図
にホすよ５に電流が大きくなるにつれて、つまり負荷が
増えるにつれて電池電圧が大きく減少する。例、しは、
リン酸形燃料電池の場合無負荷時の電池電圧が定格負荷
時の電圧に対して１．４〜１．６倍に上昇する。特に、
この電圧変動は０〜２５チ程度の軽負荷時の領域で顕著
である１、従って燃料電池から生じた直流電力はこのｔ
までは用途が限られてしまうので所定の安定化された直
流電圧あるいは交流電力に変換して使用するのが一般的
である。、燃料電池を発電システムとして交流電力系統
（以下電力系統と称す）、または交流負荷に接続するに
は一般に直流電力を交流電力へ変換する電力変換装置が
必要とされる。燃料電池発電システムに使用される電力
変換装置には第２図の電池特性を充分に考慮したシステ
ム設計が要求されることになる７） ところが第２図のような電圧変動があると電力変換装置
の設計において、広範囲な電圧変動領域全体に対応でき
るよう半導体素子の耐圧を上げるなど使用部品の定格を
必要以上に上げることを余儀なくされていた。したがっ
て、この場合、装置容量が必要以上に大きくなり、コス
トおよび効率面で種々の難点があるばかりでなく出力特
性をも悪化させてしまう欠点があった。一方、燃料電池
に対して無ｐ、荷電圧近傍の高い電圧領域では燃料電池
を構成する多層数のエレメント間の電圧差が生シること
によりエレメントの一構成要素で１１５１る化学反応を
促進するための触媒を溶融させてしまい電池の耐用寿命
を短かくしてし″１．５欠点があった。これらの欠点は
燃料電池発電システムを大容量化するにつれて、コスト
而でも寿命の点でも増大する欠点で、Ｐ、す、大容量化
の課題の１つで、Ｆ）った。

このような燃料電池の欠点に対する対策として燃料電池
システムの軽負荷時Ｏ〜２５％の間は直流回路に電圧抑
制用抵抗を挿入して燃料電池電圧を強制的に降下させる
ことが提案されている。この場合の燃料電池発電システ
ムのブロック図を第３図に示す。

第３図においてｌは天然ガス、石炭等の燃料を改質して
得られた水素と大気中の酸素とを電気化学反応させるこ
とにより直接直流電力を出力する燃料電池である。２は
直流電力を交流電力に変換する電力変換装置であり、こ
の電力変換装置２は一般に直流しゃ断器４．インバータ
５．トランス６、電力系統８との開閉を行う開閉器７な
どにより構成される。また３は電力変換装置２から燃料
電池ｌ（：′ｌＩ！力が供給されるのを防止する逆流防
止用ダイオード、９は燃料電池１と電力変換装置２の間
の直流回路に挿入される電圧抑制用抵抗であり、ＩＯは
電圧抑制用抵抗９を入切する開閉器である。電圧抑制用
抵抗９は燃料電池１の発電初期状態、′Ｗ１力変換装置
２の事故時１．Ｆ）るいは開閉器７の開放時など、すな
わち、第２図で電流Ｉ、がＯ〜■１　の範囲の電流値の
場合、開閉器ＩＯを投入して燃料電池１の電池電圧恥な
所定値Ｅ１以下に投入の間に一般には燃料電池１の空気
ｉに空気を、き、速に流入させることにより燃料電池１
の出力を急速に立ち上げたり、逆に空気を急速に抑制す
ることにより燃料電池１の出力を急速に絞る制御が行わ
れる。しかしながら第３図のよ５な手段によれば起動・
停止時に電圧抑制用抵抗９が消費する電力は全て損失と
なり燃料電池発電システムの効率を低下させてしまうこ
と、また、投入時間は短いが抵抗容１としては、システ
ム容１の２０％以上を必要とし、電圧抑制用抵抗９自体
が大形化すること、この燃料電池発電システムが複数台
のシステムから構成される場合、電圧抑制用抵抗９を燃
料電池発電システムに個別に有していたのでは、システ
ム全体が大域化することを避けられない上、システム全
体に共通に有することができたとしても各々の燃料電池
発電システムの起動に際して適用された電圧抑制用抵抗
９の容量に適したシステムの起動を行わなければならな
い制限を受けることは避けられない。

て、燃料電池１が使用できない場合の電力変換装置２の
単体試験が困難であるとい５欠点も有していた１、すな
わち、試験設備として整流器等の直流電源装置が別に必
要であり、又、保守、調整の時間を必要以上に費やして
しｔ５欠点をもっていたり〔発明の目的〕 そこで本発明は複数台の燃料電池発電システムにおける
電力変換装置２の起動・停止及び蔓故時に燃料電池の発
電電力を損なうことなく燃料電池の電圧が高くなること
を抑制して電力変換装置を安定に運転することができる
と共に、電力変換装置の単体試験を行５ことのできる燃
料電池発電システムの運転方法を提供することを目的と
する。

〔発明の概要〕

本発明はこの目的を達成するために、燃料電池を直流電
源として、インバータ回路、らるいはチョッパ回路とイ
ンバータ回路からなる常用の電力変換装置を介して電力
系統または負荷へＭ力を供給する複数台のシステムから
なる燃料電池発電システムにおいて、前記常用の電力変
換装置の他に電力系統と電力の授受が可能な他の電力変
換装置を複数台のしゃ断器を介して前記燃料電池発電シ
ステムの燃料電池出力に接続し、前記燃料電池を順次に
起動する際又は低出力時には前記他の電力変換装置を順
変換器として動作させ、前記燃料電池が所定値以上の出
力運転時には、前記しゃ断器を開放して次の起動する燃
料電池のしゃ断器を投入して前記他の電力変換装置を同
様に動作させることにより、前記燃料電池を順次起動さ
せ前記常用の電力変換装置による出力運転時には、前記
他の電力変換装置を停止あるいは出力電力を抑えた状態
で運転させて、Ｈき、また燃料電池発電システムが運転
中に前記常用の電力変換装置が故障した場合には前記他
の電力変換装置を逆変換器として動作させるようにした
ものである。

〔発明の実施例〕

以下、本発明の一実施例を第１図を参照して説明する。

第１図において、第３図と同符号のものは同一機能のも
のである。第３１図と異なる点は電圧抑制抵抗９及び開
閉器ｌＯを持たず電力系統８とは別の電力系統１１と複
数台の燃料電池１−１　、１−３．１−２が各々別の′
１カ変換頂置２−１　、２−２　、２−３とは別の゛ｑ
力変換装置１２と開閉器１３−１　、１３−２．１３−
３で接続されている点である。電力変換装置１２は電力
系統１１との入切を行う開閉器１４．トランス１５．イ
ンバータ１６で偶成され、複数台の燃料電池発電システ
ムの燃料電池１−１　、１−２　、１−３の出力に接続
される逆流防止用ダイオード３−１　、３−２　、３−
３のカンード側に接続される。この場合、電力変換装置
１２は他動式変換器、自励式変換器で偶成される。但し
、他動式変換器の場合はインバータ１６の出力に極性反
転回路を有する必要があるがここでは省略しである１、
以下の説明は電力変換装置１２を自動式インバータでｒ
４成された場合を示す。

次に本発明の動作について説明する。。

燃料電池発電システムの起動時には複数台の燃料電池発
電システムに共通に設（すられた電力変換装置１２によ
り電力を電力系統１１から直流回路へ供給可能なように
動作させる。例えば燃料電池１−１゜電力変換装置２−
１から構成される燃料電池発電システムの開閉器１３−
１を投入状態とする。この状態においてインバータ１６
を立ち上げる訳で、らるが、問えば電力変換装置２−１
を電圧形自動式インバータで構成した場合は直流入力回
路には図示されないコンデンサを備、ｔており、このコ
ンデンサの突入電流を抑える必要がある。このために電
力変換装置１２のインバータ１６は徐々に直流電圧を立
ち上げるよ５整流器作をさせるよう電力系統１１との電
圧位相を制御させる１、直流電圧が所定の電圧に上昇し
たことを確認した後、インバータ５を起動し、更に交流
側の開閉器７が投入され、電力系統８に接続され系統連
系運転に入り、所定の電力を電力系統８に供給する。こ
の時の電力は電力変換装置１２の容量以下に抑えられて
いる。又、電力変換装置１２の整流器動作時の直流電圧
は、第２図に示す燃料電池の定格出力時の電池電圧りよ
り低下設定される。

次に燃料電池１−１に燃料を送り込み燃料電池１−１の
電池電圧を徐々に立ち上げ、電力変換装置１２で制御さ
れる直流電圧値を越えると燃料電池１−１が電力変換装
置２−１への電力を徐々に負担するよ５になる１、 その後、燃料電池１−１が十分に立ち上がった状態にお
いては燃料電池１−１の電池電圧が電力変換装置１２で
制御される直流電圧値を確実に超え、電力変換装置２−
１への電力を全て負担する。この状態に至ると電力変換
装置１２は不要となるためその出力電圧を下げるよう動
作あるいは一旦停止させる。次に燃料電池１−２．電力
変換装置２−２から構成される燃料電池発電システムを
起動させる際には開閉器１３−２１−投入させる１、こ
の状態においてはインバータ１６を立ち上げ、更には前
述の電力変換装置２−１の時と同様の起動を行った後、
燃料電池１−２を同様に立ち上げることにより、電力を
全て燃料電池１−２が負担することになる。

以下、前述の電力変換装置１２と開閉器１３−３の操作
により第３位の燃料電池発電システムの起動が容易に行
５ことができる。全ての燃料電池発電システムの起動が
完了した時点で電力変換装置１２は不要となるので停止
させる。

また燃料′１′（池発電システムの停止時は的、ｔば燃
料電池１−１と電力変換装置２−１で燐酸されるシステ
ムの停止時は開閉器１３−１を閉じて電力変換装置１２
を順変換動作させて、燃料電池１−１の燃料を絞り、発
電電力が抑制されるまで直流電圧を一定に保ち、電力変
換装置２−１を安定な運転状態とする。また燃料電池発
電システムの運転中に：河いて電力変換装置２−１が異
常を生じ電力変換装置２−１を停止させる必要が生じた
際には燃料電池１−１の発電電力を絞るより制御すると
ともに、開閉器１３−１を閉じて１カ変換装置１２によ
り燃料電池１−１の発電電力を電力系統１１へ供給する
よう動作させる。すなわち、１力変換装置２−１の事故
時には即座に開閉器１３−１を閉じて電力変換装置１２
を直流回路から電力系統１１へ電力を供給可能なよ５に
逆変換動作をさせることにより燃料電池１−１の発電電
力を電力変換装置２−ｉを介して電力系統８へ給電して
いたものを電力変換装置１２を介して電力系統１１へ給
電するよう電力の転送を行５ことができる。

同様に燃料電池１−２、あるいは１−３を有する燃料電
池発電システムの停止あるいは電力変換装置２−２、あ
るいは２−３の事故時には即座に開閉器１３−２．ある
いは１３−３を閉じることにより前述の燃料電池１−１
の場合と同様の制御を行うことになる。

史に゛電力変換装置１２を設けることにより燃料電池２
−１〜２−３の停止時において電力変換装置２−１〜２
−３の試験用電源として用いることが可能であり、電力
変換装置２−１〜２−３の保守を容易に行うことができ
、又、事故時の修復時間の短縮化も図ることができる。

つまり、複数の燃料電池発電システムに、Ｐ６いて。

燃料電池１の起電力を常時、交流電力を変換するための
電力変換装置２のほかに電力系統１１と電力の授受が可
能な他の電力変換装置１２を各々の燃料電池１に開閉器
１３を介して接続しておくことにより、複数の燃料電池
発電システムを順次起動あるいは停止する際、燃料電池
１が充分な起電力を有しない起動、停止過程においても
的確な燃料電池発電システムの運転を行５ことができる
上、電、力変換装置２の万一の事故時においても、燃料
電池１に対する過電圧の防止を行うことができるととも
に燃料電池１の広範囲な電圧変動特性を制限することが
できるため１カ変換装置２０を回路部品選定の際の電圧
定格を適切に選ぶことができる。

次に本発明の他の実施例について述べる。第１図の実施
的では電力変換装置２−１〜２−３は自動式インバータ
で説明したが、各々の電力変換装置２−１〜２−３は自
動式で、もっても他励式インバータで、Ｆ）っても本発
明の意図する効果は同じで′６る。

またチョッパ回路を直流入力側に配置してインバータ回
路を組み合わせた電力変換装置２でもっても適用できる
。また、電力変換装置１２は１力系統と１力の授受が可
能な制御４能を有する、すなわち直流の極性反転機能を
館する他励式電力変換装置で、らっても同様の効果を得
ることができることは勿論である。、または力変換装置
２が燃料電池１の電力を全て負担するよ５になった状態
、すなわち燃料電池発電システムの起動が完了した状態
では第１図の実施例では電力変換装置１２を停止するよ
うにしたが停止させずに電力を抑えるよう制御し１．！
ｇ転を継続させたままとすることにより電力変換装置２
の事故発生時における電力の転送を速やかに行うように
することもできろうこの場合、開閉器１３−１〜１３−
３は任意の組み合わせで投入して結いて事故発生をした
燃料電池発電システムのみの開閉器１３を投入のままと
し、その他の開閉器１３を開放する操作をすれば事故を
発生したシステムの燃料電池１の電力を速やかに転送す
ることができる。

又、′風力変換装置１２は第１図の実施例では３台の燃
料電池発電システムに対して１台設置したがより多数台
の燃料電池発電システムに対しては複数台の゛電力変換
装置１２を一括あるいは分散配置して複数台の燃料電池
システムを同時に起動させたり停止させたり、６ろいは
複数台の電力変換装置２の事故時に対しても複数台の電
力変換装置１２を適切に制御することにより同様の効果
を得ることもできる。

史に電力系統８と電力系統１１は全く同一のものであっ
ても良い。

又、燃料電池ｌの電圧上昇を所定値以下に抑制するには
、一般に燃料電池発電システム容量に対し、２０〜３０
　％の電力消費があれば良いので電力変換装置１２の定
格容量を各々の燃料電池容量の内最大容社となるものの
２０〜３０優に選定すれば良い。

〔発明の効果〕

かくして本発明によれば複数の燃料電池発電システムに
おいて燃料電池の起電力を常時、交流電力に変換するた
めの常用の電力変換装置のほかに電力系統と電力の授受
が可能な他の電力変換装置を各々開閉器を介して燃料電
池に傍続することで。

複数台の燃料電池発電システムを順次起動あるいは停止
する際、燃料電池が低出力時の不安定な領域である起動
、停止においては、他の電力変換装置を順変換動作をさ
せ、燃料電池の過渡変動を他の電力変換装置で吸収させ
て、燃料電池の安定な立ち上げあるいは停止を可能とす
る。また燃料電池が定格出力運転中に常用の電力変換装
置の異常時においても、他の電力変換装置を逆変換動作
させて、燃料電池電力を電力系統に供給することにより
燃料電池の起電力を無駄なく利用することができる。こ
のような他の電力変換装置を備えた燃料電池発電システ
ムは必要以上に電力損失を生じる過電圧抑制抵抗を設置
することなしに電圧のはね上がりを抑えて燃料電池の過
電圧破損を防止することができ、常用の電力変換装置の
電圧責務の軽減により、装置容量を小さくすることがで
きることなど安全かつ経済的な燃料電池発電システムを
構成することができる。その上、発電設備として常用の
電力変換装置の試験用直流電源機能を有する他の電力変
換装置が併設された形となっているため、保守、調整に
費やす時間を短縮することができる。

【図面の簡単な説明】 第１図は本発明の一実施例を示す燃料電池発電システム
のブロック図、第２図は燃料電池の電池電圧対電流の特
性図、第３図は従来の燃料電池発電システムのブロック
図である７ １・・・燃料電池　　　２．１２・・・電力変換装置３
・・・逆流防止用ダイオード　４・・・直流しゃ断器５
．１６・・・インバータ　６．１５・・・トランス７、
　ｔＯ，１３ｒ１４・・・開閉器　８．１１−・・電力
系統９・・・電圧抑制用抵抗 代理人　弁理士　　則　近　憲　佑 同　　三俣弘文 ｉ４　　ｉｓ　　／６ 第１図 貴１シｄ乙４艷ン）Ｌ　　Ｉ　Ｆ　　□第２図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）燃料電池を直流電源として、インバータ回路ある
   いはチョッパ回路とインバータ回路からなる常用の電力
   変換装置を介して電力系統または負荷へ電力を供給する
   複数台のシステムからなる燃料電池発電システムにおい
   て、前記常用の電力変換装置の他に電力系統と電力の授
   受が可能な他の電力変換装置を複数台のしゃ断器を介し
   て前記燃料電池発電システムの燃料電池出力に接続し、
   前記燃料電池を順次に起動する際、又は低出力時には前
   記他の電力変換装置を順変換器として動作させ、前記燃
   料電池が所定値以上の出力運転時には前記しゃ断器を開
   放して次に起動する燃料電池のしゃ断器を投入して、前
   記他の電力変換装置を同様に動作させることにより前記
   燃料電池を順次起動させ前記常用の電力変換装置による
   出力運転時には前記他の電力変換装置を停止あるいは出
   力電力を抑えた状態で運転させておき、また燃料電池発
   電システムが運転中に前記常用の電力変換装置が故障し
   た場合には前記他の電力変換装置を逆変換器として動作
   させることを特徴とする燃料電池発電システムの運転方
   法。