JP2007066724A - Fuel cell power generation system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料電池で発電した電力を電力変換器により変換して負荷に供給するものであって、前記燃料電池にコンデンサを並列に接続し、前記燃料電池及び又は前記コンデンサからの電力を前記負荷に供給できるようにした燃料電池発電システム(電力供給システム)で、主に家庭用もしくは業務用燃料電池システムや非常用燃料電池発電システムに関する。 The present invention converts power generated by a fuel cell by a power converter and supplies the load to a load, wherein a capacitor is connected in parallel to the fuel cell, and the power from the fuel cell and / or the capacitor is A fuel cell power generation system (power supply system) that can be supplied to a load, and mainly relates to a household or commercial fuel cell system or an emergency fuel cell power generation system.
家庭用もしくは業務用燃料電池システムにおいて、燃料電池は負荷変動に対して出力電圧の変動が大きいため、燃料電池からの直流電力を直流―直流コンバータ等により安定した電圧にして使用している。この燃料電池等の電力を負荷に供給するために、一般的に商用電源と交流的に連系させて供給するようにしている。
このように交流的に連系する場合、逆潮流を防止することや電力系統が停電したときは単独運転を防止する必要があり、保護継電器や単独運転検出装置を設けて異常時は電力系統から開放するようにしている。
In a fuel cell system for home use or business use, since the output voltage of the fuel cell is large with respect to the load change, the DC power from the fuel cell is used as a stable voltage by a DC-DC converter or the like. In order to supply electric power from the fuel cell or the like to a load, the electric power is generally supplied in an alternating manner with a commercial power source.
In this way, it is necessary to prevent reverse power flow or to prevent isolated operation when the power system fails, and a protective relay or isolated operation detection device is provided. I try to open it.
また、燃料電池の出力は直流であるため、交流と連系し交流負荷に電力を供給する場合は、直流を交流に変換するインバータが必要で、このインバータは電圧、周波数、位相を商用電源と同期させる必要がある。 In addition, since the output of the fuel cell is direct current, when supplying power to an alternating current load connected to alternating current, an inverter that converts direct current to alternating current is required, and this inverter converts the voltage, frequency, and phase to the commercial power supply. Need to synchronize.
一方、本発明の構成と類似する発明として、特許文献1に記載された無停電電源システムがある。これは、交流電源の交流電圧を直流電圧に変換する整流装置と、この整流装置に接続された、例えば電気二重層コンデンサのごときコンデンサからなる電力蓄積装置と、運転信号を受けることにより起動して直流電圧を出力する燃料電池と、前記整流装置、前記電力蓄積装置、及び燃料電池に接続され、前記整流装置の出力、又は前記電力蓄積装置の電力、又は前記燃料電池の出力を交流電力に変換するインバータと、前記交流電源の故障又は前記電力蓄積装置の電圧低下を検出し、その検出時に前記燃料電池に対する運転信号を発する検出手段とを具備し、前記インバータの出力を前記負荷に供給する交流無停電電源システムである。
燃料電池発電システムは、電気的な観点からすると、システムの起動停止や急激な負荷変動は燃料電池の寿命を短くする大きな要因と考えられている。例えば、負荷が変動し、大きな電流が必要になったとき、燃料の急激な需要により燃料が欠乏した場合には燃料極で水電解が起き、燃料極の腐食が進行することにより電極が劣化することが知られている。 From an electrical point of view, the fuel cell power generation system is considered to be a major factor that shortens the life of the fuel cell due to system start / stop and sudden load fluctuations. For example, when the load fluctuates and a large current is required, water electrolysis occurs at the fuel electrode when the fuel is deficient due to a rapid demand for fuel, and the electrode deteriorates due to corrosion of the fuel electrode. It is known.
ところが、例えば家庭用燃料電池発電システムにおいては、一日の電力需要は多いときと少ないときでかなり大きな差がある。 However, for example, in a household fuel cell power generation system, there is a considerable difference between when the daily power demand is high and when it is low.
また、燃料の水素を生成するのに改質装置を使用しているときは、さらに負荷変動に対して追従性が悪く、燃料の供給が追いついていかないという問題がある。ところが、燃料電池の電圧を安定させる電圧安定装置例えば電力変換器などを付加しただけでは、負荷変動による寿命の劣化は抑えられない。 In addition, when a reformer is used to generate hydrogen for fuel, there is a problem that followability is further poor with respect to load fluctuations and fuel supply cannot keep up. However, the deterioration of the life due to the load fluctuation cannot be suppressed only by adding a voltage stabilizer for stabilizing the voltage of the fuel cell, such as a power converter.
また、電圧安定装置と電流制御装置を付加したシステムが考えられ、性能の劣化抑制には効果があるが、システムが高価になる、或いは効率が低下するなどの問題がある。 In addition, a system to which a voltage stabilizer and a current controller are added can be considered, which is effective in suppressing the deterioration of performance, but has a problem that the system becomes expensive or the efficiency decreases.
一方、燃料電池等の分散型電源を交流電源系統に交流的に系統連系するシステムにあっては、高調波や電圧フリッカなどの問題があり、また逆潮流監視等の保護継電器や系統と同期運転を行い、かつ単独運転を検出する機能を持った例えば系統連系用インバータが必要になり、システムが高価になるなどの問題がある。 On the other hand, in a system where a distributed power source such as a fuel cell is connected to an AC power source system in an AC manner, there are problems such as harmonics and voltage flicker, and synchronization with protective relays and systems such as reverse power flow monitoring. For example, there is a problem that a system interconnection inverter having a function of performing an operation and detecting an isolated operation is required, and the system becomes expensive.
本発明と類似した構成の発明である、特許文献1を挙げたが、この発明は上記課題を解決するものではなく、後述するようにシステムとしての違いも明らかである。
Although
さらに、無停電電源では系統電源が正常であるときは、使用していないため維持費や定期的な点検が必要となり、余分な費用が必要である。 Furthermore, when the grid power supply is normal with an uninterruptible power supply, it is not used, so maintenance costs and periodic inspections are necessary, and extra costs are required.
本発明は、以上のような問題点を改善するためなされたもので、燃料電池の負荷変動に対する電圧変動が大きいという特性を活かしながら、負荷の平準化を行わせること、家庭用燃料電池システムのように電力需要がかなり大きく変動するとき、コンデンサや燃料電池の容量を増やさず、単独運転検出などの交流的な連系で必要であった機能や問題を無くすことができる燃料電池発電システムを提供することを目的とする。 The present invention has been made to improve the above-described problems, and makes it possible to perform load leveling while taking advantage of the characteristic that the voltage fluctuation with respect to the load fluctuation of the fuel cell is large. Provide a fuel cell power generation system that eliminates the functions and problems required for AC interconnection such as islanding operation detection without increasing the capacity of capacitors and fuel cells when the power demand fluctuates significantly. The purpose is to do.
前記目的を達成するため請求項1に対応する発明は、燃料電池で発電した直流電力を、電力変換器で一定の電力に変換して対応する負荷に供給すると共に、前記燃料電池と前記電力変換器の電気的接続部である直流回路において、前記燃料電池に対して電気的に並列にコンデンサを接続し、前記燃料電池及び又は前記コンデンサで得られる電力に基づいた電力を、前記負荷に、前記コンデンサの容量に見合った時間に限って、前記燃料電池の定格出力以上の過負荷需要に対応することで常時供給可能にした燃料電池発電システムである。 In order to achieve the object, the invention corresponding to claim 1 converts DC power generated by a fuel cell into a constant power by a power converter and supplies it to a corresponding load, and the fuel cell and the power conversion. In a DC circuit that is an electrical connection part of a container, a capacitor is electrically connected in parallel to the fuel cell, and the power based on the power obtained by the fuel cell and / or the capacitor is supplied to the load, This is a fuel cell power generation system that can always be supplied by responding to an overload demand exceeding the rated output of the fuel cell only for a time commensurate with the capacity of the capacitor.
前記目的を達成するため請求項2に対応する発明は、次のようにしたものである。すなわち、前記燃料電池の出力電圧安定制御、並びに出力電流制御、及び又は前記コンデンサの充放電制御並びに電圧安定制御を一切行わず、前記燃料電池と前記電力変換器の電気的接続部である直流回路を、前記燃料電池の無負荷電圧から定格電圧以下までの範囲において、前記負荷の変動があっても前記燃料電池及び又は前記コンデンサの電気的特性をそのまま活かし、前記燃料電池と前記コンデンサの出力分担又は前記コンデンサの充放電を成り行き任せで受動的に運用する請求項1記載の燃料電池発電システムである。
In order to achieve the above object, the invention corresponding to
前記目的を達成するため請求項3に対応する発明は、次のようにしたものである。すなわち、前記電力変換器は、この入力直流電圧を前記燃料電池の無負荷電圧から定格電圧以下までの範囲において運用可能とし、かつ一定の交流電圧及び又は一定の直流電圧を出力する手段を追加した請求項1又は請求項2記載の燃料電池発電システムである。
前記目的を達成するため請求項4に対応する発明は、次のようにしたものである。すなわち、前記燃料電池の発電電力が前記負荷の負荷需要よりも定常的に低く、かつ前記電力変換器の入力直流電圧が前記燃料電池の定格出力電圧よりも低下して前記コンデンサからの放電電力がなくなったとき、交流電力系統の交流電力をコンバータにより直流電力に変換し、この変換された直流電力を前記燃料電池の定格出力にバックアップ用として追加し、 前記電力変換器への入力電力を確保するようにした請求項1乃至請求項3のいずれか1項記載の燃料電池発電システムである。
In order to achieve the object, the invention corresponding to
In order to achieve the above object, the invention corresponding to
前記目的を達成するため請求項5に対応する発明は、次のようにしたものである。すなわち、前記コンデンサの電圧が前記コンバータの出力電圧より低いとき、前記コンバータに有する垂下又はフの字電流−電圧特性を利用し、前記コンデンサを充電し、前記コンデンサを充電するためのコンデンサ充電装置を使用しない請求項4記載の燃料電池発電システムである。
In order to achieve the above object, the invention corresponding to
前記目的を達成するため請求項6に対応する発明は、次のようにしたものである。すなわち、前記コンバータの出力電圧を設定可能な手段を追加した請求項4又は請求項5記載の燃料電池発電システム。
In order to achieve the object, the invention corresponding to
前記目的を達成するため請求項7に対応する発明は、次のようにしたものである。すなわち、前記負荷が複数個ある場合であって、各交流負荷及び又は各直流負荷を予め優先順位分けし、少なくとも該優先順位の高い負荷に電力供給を行う負荷選択手段を備えた請求項1乃至6のいずれか1項記載の燃料電池発電システムである。
In order to achieve the object, the invention corresponding to
前記目的を達成するため請求項8に対応する発明は、次のようにしたものである。すなわち、前記負荷の定格入力電圧が、前記交流電力系統の交流電圧と等しい場合であって、
所定の条件が成立するとき、前記交流電力系統を前記負荷に電気的に直接接続する手段を備えた請求項1乃至7のいずれか1項記載の燃料電池発電システム。
In order to achieve the above object, the invention corresponding to
The fuel cell power generation system according to any one of
本発明によれば、燃料電池の出力に直接並列にコンデンサを接続することにより、燃料電池の負荷変動に対する電圧変動が大きいという特性を活かしながら、負荷の平準化を行わせて燃料電池の劣化を抑制すること、家庭用燃料電池システムのように電力需要が大きく変動するとき、コンデンサや燃料電池の容量を増やさず、また電力系統からコンバータを介してバックアップすること、さらに電力系統とは直流的に連系することにより、単独運転検出などの交流的な連系で必要であった機能や問題を無くすことができる燃料電池発電システムを提供できる。 According to the present invention, by connecting a capacitor directly in parallel with the output of the fuel cell, the fuel cell is deteriorated by leveling the load while utilizing the characteristic that the voltage variation with respect to the load variation of the fuel cell is large. When power demand fluctuates greatly as in a home fuel cell system, it does not increase the capacity of capacitors and fuel cells, and backs up from the power system via a converter. By linking, it is possible to provide a fuel cell power generation system that can eliminate functions and problems necessary for AC-linked such as isolated operation detection.
以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。始めに、図1を参照して本発明の概要について説明する。燃料電池6の発電電力を、直流(DC)―交流(AC)インバータ3及び又は直流(DC)―直流(DC)コンバータ50により交流電力及び又は直流電力に変換し、この変換された交流電力及び又は直流電力を交流負荷4(複数の交流負荷41、42、43の総称)及び又は直流負荷04(複数の直流負荷041、042の総称)に供給するものであって、燃料電池6とインバータ3の間の直流回路(直流区間)に、コンデンサ5及び交流電力系統(以下単に系統と称する)1の交流電力を直流電力に変換する交流(AC)―直流(DC)コンバータ2をそれぞれ電気的に並列に接続し、燃料電池6の立ち上げ時を除き、燃料電池6及び又はコンデンサ5で得られる電力に基づいた電力を交流負荷4及び又は直流負荷04に供給可能にした燃料電池発電システムである。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. First, the outline of the present invention will be described with reference to FIG. The power generated by the
また、系統1と交流負荷41、42、43との間及び又はインバータ3と交流負荷41、42、43との間に、交流負荷選択手段(直送・燃料電池発電システム交流負荷切換手段)61、例えば複数の交流負荷選択スイッチ(直送・燃料電池発電システム交流負荷切換スイッチ)611、612、613は例えば各負荷41、42、43に対応して設けられている。各スイッチ611、612、613は、いずれも
常開端子aと、常閉端子bと、共通端子cとを有し、これらの常開端子aと、常閉端子bとの切換は次の状態に応じて、後述するコントローラ又は手動操作により行われる。
Further, between the
すなわち、系統異常時には、燃料電池6の定格電力以下になるように、負荷4の優先性を考慮しながら各スイッチ611、612、613を用いて順次切り離すためのものである。さらに燃料電池6が異常時には購入契約電力以下になるように優先(重要な負荷)順にスイッチ611、612、613を系統側に切り換えて優先順の高い負荷への電力の継続供給を確保するために使用する。この場合、各スイッチ611、612、613に接続されている負荷は複数の負荷(負荷ブロック)であってもよい。また常開端子aと常閉端子bは、ここでは常開端子aが系統側に、常閉端子bがシステム側に接続されているが、制御や安全面からこの逆であってもよい。
That is, when the system is abnormal, the
ここでは交流負荷選択スイッチ611、612、613は全て各負荷あるいは複数の負荷に対して燃料電池発電システムと系統を切り換えるスイッチにしているが、代わりに単なるスイッチを入れ、系統とそのスイッチの問、あるいはインバータ3とスイッチ611、612、613の間に直送・燃料電池発電システム電源切り換え手段を入れて負荷全部に対して系統と燃料電池発電システムを切り換えるようにしても良いし、またその混在型にしてもよい。
Here, the AC load selection switches 611, 612, and 613 are all switches for switching the fuel cell power generation system and the system for each load or a plurality of loads. Alternatively, a direct transmission / fuel cell power generation system power supply switching means may be inserted between the
また、コンバータ50と直流負荷041、042の間に、直流負荷切離手段60例えば複数の直流負荷切離スイッチ601、602が設けられている。
Further, DC load disconnecting means 60, for example, a plurality of DC
さらに、コンデンサ5と燃料電池6の接続点に、燃料電池切離スイッチ7及び逆流防止ダイオード9が直列に接続されている。燃料電池切離スイッチ7は、燃料電池側が故障などの停止時に開路する。また、システム初期などコンデンサ5の蓄電量が少なく、直流回線区間の電圧が低いときは燃料電池切離スイッチ7を開いてコンバータ2側からコンバータ2の過電流特性、いわゆる”フの字”特性或いは垂下特性などの過電流制限機能を利用しコンデンサを充電する。コンデンサ5の電圧がシステム動作電圧以上になった後燃料電池6を起動し、燃料電池電圧が定格電圧以上、コンデンサ5の電圧とほぼ等しくなってから同スイッチ7を閉じて燃料電池6を直流回路に接続するものである。逆流防止ダイオード9はコンバータ2やコンデンサ5からの電流が燃料電池6に流れるのを防止するためのものである。
Further, a fuel
燃料電池6としては、例えば固体高分子形燃料電池(PEFC)を使用する。コンバータ2は、”フの字”特性或いは垂下特性などの過電流制限機能を有しており、直流出力電圧が固定であっても制御によって設定が可能なものであってもよい。
For example, a polymer electrolyte fuel cell (PEFC) is used as the
ここで、コンデンサ5としては、例えば電気二重層コンデンサを使用し、これは短時間の大容量負荷に対応することが可能であり、かつ燃料電池6の急峻な負荷変動に伴う性能劣化及び燃料電池6の効率低下を防止することを主な目的で使用する。なお、コンデンサ5の蓄電容量が、コンデンサ5に印加される電圧の二乗に比例するため、例えばコンデンサ5の定格電圧付近から50%くらいのところまで、使用できるとすると、コンデンサ5に蓄えられている充電エネルギーの75%が利用可能であり、コンデンサ5の電圧の変動を利用することにより大きなエネルギーを取得利用できることになる。
Here, as the
従って、性能劣化防止のためには、僅かな容量(極端には通常のコンデンサ)でよく、大容量負荷への供給時間のニーズに応じて容量を増加させればよい。 Therefore, in order to prevent performance degradation, a small capacity (extremely a normal capacitor) may be used, and the capacity may be increased according to the need for the supply time to a large capacity load.
また、燃料電池6が接続されている直流回路にコンバータ2を介して系統1が接続されているのは、燃料電池6からの出力電力が不足する場合でコンデンサ5の貯蔵電力が失われていって、ある一定電圧以下例えば燃料電池6の定格電圧になったとき、最終的に電力供給を間に合わせるバックアップ的要素を得るためのものである。
The
ここで、交流負荷選択スイッチ611、612、613は、電力系統と燃料電池発電システムの出力選択を行う切換スイッチで、半導体式であっても接点式であってもよく、また無瞬断切替方式にしてもよい。交流負荷選択スイッチ611、612、613は、交流負荷4の定格入力電圧が、交流電力系統1の交流電圧と等しい場合であって、以下に述べる所定の条件が成立するとき、交流電力系統1を交流負荷4に電気的に直接接続する際に使用する。
Here, the AC load selection switches 611, 612, and 613 are changeover switches for selecting the output of the power system and the fuel cell power generation system, and may be of a semiconductor type or a contact type. It may be. The AC load selection switches 611, 612, and 613 are used when the rated input voltage of the
ここで、所定の条件とは、次に示す事項の少なくとも一つが成立するときである。 Here, the predetermined condition is when at least one of the following items is satisfied.
a)システムのメンテナンス又は機器故障のような場合において、前記燃料電池及び又は前記コンデンサで得られる電力で前記交流負荷に発電電力による供給が不可能となったとき、
b)燃料電池発電による電力供給が交流系統からの電力供給より経済性などの面で不適切と判断されるとき、
c)前記燃料電池の発電出力が前記交流負荷の需要よりも定常的に低く、前記電力変換器の入力直流電圧が前記燃料電池の定格出力電圧のように所定の電圧よりも低下して、前記コンデンサからの放電電力がなくなったとき、
d)図1に示す実施形態においてコンバータ2が故障した場合又はこのコンバータ2によるバックアップが効率低下に伴う経済性の不利が想定される場合、
である。
a) In cases such as system maintenance or equipment failure, when the power obtained by the fuel cell and / or the capacitor cannot be supplied to the AC load by the generated power,
b) When it is determined that the power supply by fuel cell power generation is more inappropriate in terms of economy than the power supply from the AC system,
c) The power generation output of the fuel cell is steadily lower than the demand of the AC load, and the input DC voltage of the power converter is lower than a predetermined voltage like the rated output voltage of the fuel cell, When the discharge power from the capacitor is gone,
d) In the embodiment shown in FIG. 1, when the
It is.
図1の回路において、コンデンサ5の裕度を勘案し燃料電池6の開回路電圧をコンデンサ5定格電圧の例えば80〜95%とする。燃料電池6の定格電圧をコンデンサ定格電圧の40〜50%となるようにする。直流回路区間の電圧が燃料電池6の定格電圧の例えば80〜90%まで低下するときにコンバータ2(つまり系統1)から電力が供給され、最低燃料電池6の定格電圧近辺を維持する。インバータ3の入力側は、燃料電池6の定格〜定格の例えば40%をカバーする仕様とする。
In the circuit of FIG. 1, the open circuit voltage of the
以上のような構成の燃料電池発電システムの運転シーケンスは、次の通りである。 The operation sequence of the fuel cell power generation system configured as described above is as follows.
始めに、コンデンサ5にコンバータ2の過電流特性を利用した充電を行い、次に燃料電池6の立ち上げを行い、その後燃料電池切離スイッチ7を閉じると共に、負荷選択スイッチ8を閉じて、燃料電池6で発電された直流電力を、インバータ3を介して交流電力に変換し、さらに必要であればDC−DCコンバータ50を介して安定な直流に変換し、交流負荷4或いは直流負荷04に供給する。この場合、燃料電池6の発電電圧が、コンバータ2の出力電圧より大きいときは、負荷4に供給される電力は、全て燃料電池6から与えられる。
通常運転時、コンデンサ5は、主として燃料電池6の発電電力により充電されるが、負荷4の変動が生じ、負荷4、04が重くなったとき、この負荷変動に応じてコンデンサ5の充電電荷が放電され、この放電電荷が燃料電池6の発電電力に加えられ、電力変換器を介してで負荷4、04に供給される。この結果、燃料電池6の急峻な負荷変動に伴う性能劣化及び効率低下を防止できる。
First, the
During normal operation, the
このような状態で、高負荷継続により、燃料電池6及びコンデンサ5の両者の電力の和が低下し、負荷4への電力供給が不足したとき、系統1からの電力がコンバータ2を介して燃料電池6及びコンデンサ5の電力に加算され、負荷4に供給される。また、通常電力供給は燃料電池6及び又はコンデンサ5により行われ、系統1から負荷4への電力供給は、あくまでも燃料電池6やコンデンサ5からの電力が不足したときのバックアップ用である。
In such a state, when the high load continues, the sum of the power of both the
ここで、図2を参照して、電力系統からバックアップ電流を供給する原理を説明する。燃料電池6及びコンバータ2及び燃料電池6とコンバータを組み合わせたシステムのI(電流)−V(電圧)特性である。図2において、実線は燃料電池6のI−V特性を示し、破線はコンバータ2のI−V特性を示し、一点鎖線はコンバータ2と燃料電池6を組み合わせたときのI−V特性を示している。また、Vconはコンバータ2の設定電圧を示し、Vfcmaxは燃料電池6の定格電力のときの電圧を示し、Iconmaxはコンバータ2の供給できる最大電流値を示し、Ifcmaxは燃料電池6の定格電力のときの電流値を示している。さらに、Ixはコンバータ2のI−V特性と燃料電池6のI−V特性の交点の電流値を示し、これから右側(負荷電流の増加)においてバックアップが始まることを示している。Iconfcmaxは、燃料電池6の定格電圧のときに流れるコンバータ電流値を示している。Ix+IconmaxはIxとIconmaxを加算した値であって、コンバータ2と燃料電池6を組み合わせたときの電圧が下がり始める点を示している。Ifcmax+Iconfcmaxはコンバータ2と燃料電池6を組み合わせたときに流れる最大電流値を示している。
Here, the principle of supplying a backup current from the power system will be described with reference to FIG. It is an I (current) -V (voltage) characteristic of the
図2から明らかなように、燃料電池6の定格電力のときの電圧Vfcmaxが、破線で示すコンバータ2の設定電圧Vconより小さくなると、コンバータ2からも負荷4へ電流が供給されるようになる。この場合、負荷電流がIx+Iconmaxになるまでは燃料電池6からの電流はIxに固定されたままでコンバータ2の電流のみが増加する。1点鎖線で示すように負荷電流がIx+Iconmaxを超えると、燃料電池6の電流は増加していって最大負荷電流Ifcmax+Iconfcmaxまで供給できる。燃料電池6の電力を使用し、燃料電池6の電力が不足してきた時に系統1から電力を供給させたいので、それを行うためにはコンバータ2の設定電圧Vconを下げてVfcmaxに近づければよい。
As is clear from FIG. 2, when the voltage Vfcmax at the rated power of the
なお、図2において、コンバータ2のI−V特性(コンバータ電流制限特性)は、フの字特性のものであるが、これが垂下特性のものであっても、前述と同様な機能が得られる。
In FIG. 2, the IV characteristic (converter current limiting characteristic) of the
本発明の実施形態によれば、次のような作用効果が得られる。 According to the embodiment of the present invention, the following effects can be obtained.
(1)コンデンサ5を燃料電池6と電力変換器の電気的接続部である直流回路に並列に直接接続したので、燃料電池の急峻な負荷変動に伴う燃料電池の発電電圧変動が大きいという特性を生かしながら、性能劣化及び効率低下を防止できる。従って、劣化防止のためには僅かな容量極端には通常のコンデンサでよく、大容量負荷への供給時間のニーズに応じて容量を増加させればよい。また、負荷4、04が燃料電池6の定格を短時間の間超えたとしても、コンデンサ5の容量を、短時間不足した電力を供給できるようなものを選定しておけば、燃料電池の定格以上の過負荷需要に対応することができる。これは、負荷4、04が例えば誘導負荷やランプ負荷などのように起動時短時間の間定格の数倍の電流を必要とする負荷などに対して有用である。
(1) Since the
(2)燃料電池6及びコンデンサ5の負荷変動による電圧変動が大きいという特性を積極的に利用し、燃料電池6の急激な負荷変動による電圧変動をコンデンサ5で吸収できると共に、重負荷が続いて燃料電池6やコンデンサ5からの電力供給が不足し、燃料電池6及びコンデンサ5の電圧低下でコンバータ2の出力電圧と等しくなったとき系統1からもコンバータ2を介して電力が供給され、この結果負荷4、04に安定して電力を供給することができる。
(2) The characteristic that the voltage fluctuation due to the load fluctuation of the
このことを、詳細に説明する。燃料電池6とコンデサ5を直流部分において直接接続し、成り行きで負荷変動に対して受動的に運用しているので、負荷4、04が重くなり燃料電池6の電圧が下がり始めると(電流が増えようとすると)、コンデンサ5の電圧より低くなろうとするため、コンデンサ5からの放電電流が流れ始め、燃料電池6の電圧低下(電流増加)を抑制できる。また、負荷4、04が軽くなったとき、逆に負荷電流が減少し、燃料電池6の電圧が上昇し始めるが、コンデンサ5の電圧より高くなろうとするため、コンデンサ5に充電電流が流れ、電流の減少を抑制できる。これに対して、従来は燃料電池等の出力側で出力電圧安定制御を行ったり、出力電流制御装置で燃料電池等を制御することにより出力電流を制御するのが一般的であった。しかし、出力電圧安定制御では負荷の増減に対して燃料電池の出力電流が増減することに変わりは無く、燃料電池の寿命に対して大きな影響が生じる。また、出力電流の制御に対して考えると、まず負荷4、04が増え負荷電流が増大したとき、燃料電池6の出力電流を一定に保つように制御すると、不足した出力電流を蓄電装置やコンバータを介して系統から補う必要があるが、このとき不足分を補う蓄電装置やコンバータと燃料電池の出力電圧を、同じ直流電圧にしておかなければならない。つまり、前述の出力電圧安定制御装置が必要になってくる。この場合は、燃料電池6の電流増減は少ないため、寿命に対して影響は少ないが、出力電流制御装置や出力電圧安定制御装置が必要になり、この分システムが高価になると共に、効率も悪くなり、制御が複雑になる。本システムでは以上のようなメカニズムにより燃料電池の負荷変動を抑えることができると共に、出力電圧安定制御装置や電流制御装置を使用しない安価で効率の良いシステムを構築することができる。
This will be described in detail. Since the
本発明の燃料電池発電システムでは、燃料電池の定格以上の電力をコンデンサの容量に見合った時間に限り供給可能なシステムである。例えばドライヤや電子レンジを使用することにより、燃料電池の定格電力以上になったとき、ドライヤや電子レンジは何分間しか使用しない負荷であるので、このような電力需要に対しては、コンデンサの容量を、その電力容量分補うように構成すればよい。しかし、長時間燃料電池定格電力以上の過負荷状態が継続する場合、これを補うために燃料電池やコンデンサの容量を増やすことはシステムのコストアップに繋がる。従ってこれに対してバックアップ用として電力系統を利用する。 The fuel cell power generation system of the present invention is a system that can supply power exceeding the rating of the fuel cell only for a time commensurate with the capacity of the capacitor. For example, when a dryer or microwave oven is used and the rated power of the fuel cell is exceeded, the dryer or microwave oven is a load that is used only for several minutes. May be configured to compensate for the power capacity. However, if an overload state exceeding the fuel cell rated power continues for a long time, increasing the capacity of the fuel cell or capacitor to compensate for this will lead to an increase in the cost of the system. Therefore, the power system is used for backup.
つまり、本発明は、燃料電池の定格電力以上の電力需要がある一定時間以上続いたとき、システムの直流電圧が図2の説明のようにコンバータの出力電圧より低くなろうとするため、系統電源からコンバータを介して電力が供給されるようになる。 That is, according to the present invention, when the power demand exceeding the rated power of the fuel cell continues for a certain period of time, the DC voltage of the system tends to be lower than the output voltage of the converter as illustrated in FIG. Electric power is supplied through the converter.
(3)系統1の交流電力を直流に変換するコンバータ2と、コンバータ2の直流電力を交流電力に変換するインバータ3との直流回路に、燃料電池6及びコンデンサ5がそれぞれ並列に接続されているので、通常の系統連系システムにおいて発生する高調波や電圧フリッカの問題が無く、また逆潮流の問題も発生しないばかりでなく、単独運転検出装置及び同期制御装置なども不要である。このため、本システムを安価で安全なものにすることができる。
(3) A
(4)負荷選択手段例えば負荷選択スイッチ8、60が設けられているので、系統1或いは燃料電池6のいずれかが故障し、複数の負荷41、42、43全てに十分な電力供給が不可能になったとき、負荷41、42、43に応じて優先順位をつけ、前記スイッチによりこのうちの少なくとも優先順位の高い負荷にのみ電力を供給できる。例えば非難通路の照明など優先順の高い負荷を選択し継続して電力を供給することができる。
(5)コンバータ2の出力電圧を可変可能な手段を備えているので、燃料電池6の電圧よりコンバータ2の出力電圧を低めに設定することができ、これにより重負荷で燃料電池6の発電電圧が低下したとき、コンデンサ5から電力が供給され、燃料電池6の負荷変動を抑えようとするが、重負荷が長く続くとき電力不足により電圧が低下していく。このとき、前述のようにコンバータ2の出力電圧が燃料電池6の電圧より低く設定されているので、低下した電圧がコンバータ電圧以下なろうとすると、系統1からも電力が供給されるようになる。このように急激な負荷変動は、コンデンサ5で吸収し、長く続く負荷変動は系統1で補うようにしてコンデンサ5の容量をそれほど大きなものを必要としないシステムとすることができる。
(4) Since load selection means, for example,
(5) Since a means capable of changing the output voltage of the
なお、コンバータ2の出力電圧を一定値に固定しておくことも可能で、このときは燃料電池発電システムに応じたコンデンサ5の容量が必要になる。
It is also possible to fix the output voltage of the
コンバータ2の出力電圧設定は、システムのコントローラによっておこなう事ができる。コンバータ2の出力電圧は、燃料電池6の定格出力電圧付近に固定して単なるバックアップ用としてもよいが、コンバータ2の出力電圧を任意に設定することで、以下のような効果が得られる。
The output voltage of the
1)出力電圧設定を燃料電池6の電圧変動に合わせて可変することにより、コンデンサ5に加えて系統1も負荷変動に対応することができ、コンデンサ5の容量を小さくすることができる。
1) By changing the output voltage setting in accordance with the voltage fluctuation of the
2)燃料電池6のIV特性の経年変化に合わせて燃料電池6の電力を最大まで使用できるように電圧設定を変更できる。
2) The voltage setting can be changed so that the power of the
3)後述する図6の実施形態のように予測制御を行うとき、コンバータ2の電圧可変によりコンデンサ5の充電電流を制御できる。
3) When predictive control is performed as in the embodiment of FIG. 6 described later, the charging current of the
4)後述する図7の実施形態では可変型定電流回路14の入力電圧を制御するために電圧可変が必要である。
4) In the embodiment of FIG. 7 to be described later, it is necessary to vary the voltage in order to control the input voltage of the variable constant
5)コジェネレーションとして使用するとき、熱が余る可能性があるが、この場合コンバータ2の電圧を上げ、燃料電池6の利用率を下げることで、熱余りを防止することができる。
5) When used as cogeneration, there is a possibility that heat is surplus. In this case, surplus heat can be prevented by increasing the voltage of the
6)燃料電池発電システムとして最も効率の良い電圧で運転できるよう制御することができる。 6) The fuel cell power generation system can be controlled to operate at the most efficient voltage.
(6)燃料電池6の立ち上げ時、コンデンサ5に充分な電荷が残っていれば、それを、燃料電池6を立ち上げるための補機用電力として利用することができる。
(6) If sufficient charge remains in the
(7)一見コンバータ2分だけ効率的に不利なようだが、負荷側電圧を安定に低く例えば95Vとしたり、或いは力率改善で負荷4での省エネルギーに資することができる。また、燃料電池6の利用率向上の分だけコンバータ2を通過する電力は必要最小限となる。
(8)系統1へのエネルギーの戻りがないので、高力率となり系統1からすると理想的な負荷となる。また、当然回転機型発電装置を燃料電池6の代わりに用いても系統1における短絡容量の上昇がない。
(7) At first glance it seems that the converter is effectively disadvantageous by 2 minutes, but the load side voltage can be stably lowered to 95 V, for example, or power factor improvement can contribute to energy saving at the
(8) Since there is no return of energy to the
(9)インバータ3及びコンバータ2に、双方向性のものを使用することで、系統1側への逆潮流要請にも対応できると共に、エネルギーの回生のニーズにも対応できる。
(9) By using a bidirectional one for the
(10)位相などアンシラリーサービスを受ける必要がない。 (10) There is no need to receive ancillary services such as phase.
以上述べた図1の実施形態は、次のように変形することもできる。系統1からの電力が得られないときには、燃料電池6側に図示しない充電用コンバータを準備しておいてもよい。また、負荷4側からの回生あるいは系統1側からの逆潮流の要請によっては、各コンバータ2の点弧角を調整して必要電力をコンデンサ5または系統1に戻すようにしてもよい。
さらに、メンテナンス時などコンデンサ5の電荷を放電したいときは、図示しない放電抵抗を接続し所定の電圧以下になるまで電力を消費するようにしてもよい。各構成要素の定格容量はニーズやかけられるコスト等によって適宜選定することは言うまでもない。系統1に接続されていないときや系統1が停電状態にあるときなどの本システムの燃料電池6の起動は、補助バッテリーを必要とし、本システムに必要に応じて追加することができる。また、インバータ3として、双方向性のものを使用することもできる。さらにコンバータ2とインバータ3の直流回路区間には、他電源例えば太陽光発電や風力発電などの追加接続が可能である。
The embodiment of FIG. 1 described above can be modified as follows. When power from the
Furthermore, when it is desired to discharge the electric charge of the
ここで、以上述べた実施形態の燃料電池発電システムと、前述した特許文献1の無停電電装置或いは系統連系システムとの違いについて述べる。
Here, the difference between the fuel cell power generation system of the embodiment described above and the uninterruptible power supply device or the grid interconnection system of
1)燃料電池等の容量の違い
本発明のシステムは、系統契約電力が小、コンデンサ5の容量小(ニーズによる)、燃料電池6が長時間運転型であり、これは起動時間がある程度要してもよい。これに対して、特許文献1は、系統契約電力が大、コンデンサの容量大、燃料電池が即起動短時間運転型である。
1) Difference in capacity of fuel cell, etc. The system of the present invention has a small system contract power, a small capacity of the capacitor 5 (depending on the needs), and the
2)構成の違い
本発明のシステムは、燃料電池6の燃料(水素)が水素配管による供給、又はインフラが整備されている都市ガス、或いはLPガスや灯油など一般燃料からの改質による水素供給、勿論水素ボンベによる供給のいずれであってもよいが、特許文献1は、燃料電池の燃料は水素ボンベの交換を前提としたものである。
2) Difference in configuration The system according to the present invention is configured such that the fuel (hydrogen) of the
本発明のシステムは、燃料電池6及びコンデンサ5が電圧変化する特性を利用するため、インバータ3の直流回路に直接接続し、かつ燃料電池6の起動停止やコンデンサ5の充放電制御を行わず、これらを受動的に運用するものであり、これに対して特許文献1は、系統電源の停電を検出する検出手段を必ず必要とするものである。
Since the system of the present invention uses the characteristic that the voltage of the
本発明のシステムは、負荷選択スイッチ8を備え、防災対応等で最低限の電力供給を維持するため(燃料電池運転継続のため)に、負荷の優先順位によって負荷選択スイッチ8を選択し、最悪の場合でも重要な負荷への電力供給を維持するのに対し、特許文献1は重要負荷にしか電力供給を行わないものである。
The system of the present invention includes a
3)目的の違い
本発明のシステムは、非常用電源としても使用できるが、主に燃料電池6と系統1との連系、協調を目的としており、本システムでは交流的な連系ではなく、直流的に連系している。このような目的の違いから各要素の容量が異なってくる。例えば、コンデンサで見れば、無停電電源装置は大容量が要求されるが、本システムでは小容量のものでよくニーズに応じても容量を選択できる。また、燃料電池6については無停電電源装置では即起動することが必要で、短時間運転型でよいものに対して、本システムでは起動時間はある程度要してもよいが、長時間運転型が必要である。
3) Difference in purpose Although the system of the present invention can be used as an emergency power supply, it is mainly intended for the connection and cooperation between the
さらに、契約電力においては本システムでは前述のごとくバックアップ用であるため、小電力でよいが、無停電電源装置では負荷に応じた電力が必要となる。 Furthermore, the contract power is used for backup in the present system as described above, and thus small power is sufficient. However, the uninterruptible power supply requires power corresponding to the load.
また、“目的の違い”の説明から外れるが、本システムでは系統1とは直流的な連系であることから、単独運転検出装置が不要であり、ピーク負荷が系統に依存せず、高調波が系統1に入らない。これに対して、公知の分散型電源を系統に連系するシステムでは、単独運転検出装置が必要であり、ピーク負荷が系統に依存するばかりでなく、高調波が系統に入り、また電圧フリッカの問題が発生する。さらに、同一系統に多数の分散型電源が連系する場合などの条件によっては単独運転の検出ができないなどの問題がある。
In addition, although it is not included in the description of “difference in purpose”, since this system is DC-connected to
4)運転シーケンスの違い
本発明のシステムは、前述した運転シ−ケンスであるのに対し、特許文献1は系統からコンデンサを充電し、系統が故障したとき、コンデンサからの電荷を放電し、この放電による蓄電荷の低下による電圧低下を検出したとき、燃料電池を運転するものである。
4) Difference in operation sequence
While the system of the present invention is the above-described operation sequence,
以下、図3〜図9を参照して本発明の具体的な実施形態について説明する。 Hereinafter, specific embodiments of the present invention will be described with reference to FIGS.
図3は、本発明の燃料電池発電システムに係る第1の実施形態を説明するための概略構成図であり、図1と異なる点は制御手段を構成する例えばシーケンサのごときコントローラ10を新たに追加し、コントローラ10の内部に有する電圧検出器(図3では示していないが、後述する図9に示しているD1、D2)の電圧検出端子31、32を以下のように接続した点である。電圧検出端子31は、コンバータ2あるいはコンデンサ5の出力電圧が印加され、この印加されたコンバータ2あるいはコンデンサ5の出力電圧信号をコントローラ10に入力する。電圧検出端子32は、燃料電池6の出力電圧が印加され、この印加された燃料電池出力電圧信号をコントローラ10に入力する。
FIG. 3 is a schematic configuration diagram for explaining the first embodiment of the fuel cell power generation system according to the present invention. The difference from FIG. 1 is that a
コントローラ10は、電圧検出端子31に印加されたコンバータ2あるいはコンデンサ5の出力電圧信号を入力し、この出力電圧信号により直流回路の電圧を確認したり、系統1の停電やコンバータ2の故障を検知する。また、コントローラ10は、電圧検出端子32に印加された燃料電池出力電圧信号により燃料電池出力電圧を確認する。コントローラ10は、コンバータ2に対してコンバータ出力電圧制御信号を与えてコンバータ2の出力電圧を制御したり、燃料電池用開閉手段例えば燃料電池切離スイッチ7に対して制御信号(SW7制御信号)を与えてスイッチ7を開閉制御する。具体的には、コンデンサ電圧が設定値より低いときや、燃料電池6が異常のときスイッチ7を開くようにする。
The
以上のように図3は図1のシステムを制御する場合の実施形態であり、その運転シーケンスや作用効果については、図1の説明と同じである。 As described above, FIG. 3 is an embodiment in the case of controlling the system of FIG. 1, and the operation sequence and operational effects thereof are the same as those in FIG.
図6は、本発明の第2の実施形態を説明するための概略構成図であり、図3と異なる点は、新たに、コンバータ2とインバータ3との直流回路であってコンデンサ5とインバータ3との間に直列に直流回路用開閉手段例えば直流回路用スイッチ(SW11)11を挿入し、スイッチ11は、コントローラ10の出力により開閉制御するものである。そして、スイッチ11とインバータ3の接続点と、コンデンサ5とコンバータ2との接続点との間に、新たに逆流防止手段例えばダイオード12を、このダイオード12のアノードがコンデンサ5側となるように配設したものである。これ以外の点は、図3と同一である。
FIG. 6 is a schematic configuration diagram for explaining a second embodiment of the present invention. The difference from FIG. 3 is a new DC circuit of a
図6のように構成されたものにおいて、コントローラ10によりスイッチ11は燃料電池6とコンデンサ5間を開閉してコンデンサ5を燃料電池6の負荷(充電)4にするか否かが可能であると共に、コンバータ2やコンデンサ5とインバータ3を直結してコンバータ2からインバータ3ヘの電力の供給についての制御も行える。
In the configuration as shown in FIG. 6, the
ダイオード12は、負荷4が重くなって燃料電池6の電圧が低下したとき、コンデンサ5の放電電流がインバータ3を介して負荷4に流れるようにすると共に、スイッチ11が閉じているとき以外は、燃料電池6からコンデンサ5への充電電流が流れないようにするためのものである。また、ダイオード12は、負荷4が急激に変動したとき、コンデンサ5やコンバータ2から電力の供給を行えるようにするためのものである。
The
インバータ3は直流を交流に変換するもので、インバータ3の出力は、図示しない分電盤を介して負荷4に接続される。コンデンサ5は用途に応じて急激な負荷変動を抑える電気容量を持つ程度の静電容量から長時間コンデンサ5のみで負荷4を運転することができる静電容量を、有したものを使用する。
The
コントローラ10はコンバータ2の出力電圧制御やスイッチ11、7を開閉するための指令を与え、また電圧検出端子31に印加される電圧信号によりコンバータ2及びコンデンサ5の出力電圧、電圧検出端子32に印加される電圧信号により燃料電池6の電圧の監視を行う。
The
ダイオード9は燃料電池6の出力に逆電圧がかかるのを防止するためのものである。
The
スイッチ7は燃料電池6の異常時や負荷4が軽くなり、出力電圧が高くなってインバータ3などの装置の入力電圧を上回る可能性が生じそうなときに回路から燃料電池6を切り離すために使用される。
The
前述したように、図3と異なる点はスイッチ11とダイオード12が入っているところで、スイッチ11が閉じているときは図3と同じになる。
As described above, the difference from FIG. 3 is that the
スイッチ11の機能は上記の通りであるが、コンデンサ5の電圧が低いとき燃料電池6とコンデンサ5を直結しておくと、負荷4が軽くても燃料電池6に大きな電流が流れることになる。
Although the function of the
これはコンデンサ5ヘの充電電流のコントロールができないことになり負荷変動に柔軟に対応できない可能性がある。
This makes it impossible to control the charging current to the
例えば、1日の電気使用量が学習できるとすると、コンデンサ5の充電電圧をコントロールすることによりスイッチ11の入り切りとコンバータ2の出力電圧調整により、コンデンサ5の電圧を調整することによって燃料電池6の負荷平準化が行える。
For example, if the amount of electricity used per day can be learned, the voltage of the
軽負荷が長い時間続くときはコンバータ2の出力電圧を低くしてコンバータ2から電流が流れないようにしておきスイッチ7を閉じて燃料電池6からコンデンサ5に電流を供給するようにするが、軽負荷が長く続く時間帯がわかっていればその前にコンデンサ5の電圧を低く設定しておいて燃料電池6からの充電時間を長く取れるようにしておけばよい。
When the light load continues for a long time, the output voltage of the
また負荷4が重くなる前の時間帯ではコンデンサ5の電圧を上げるためスイッチ11を閉じてコンバータ2の出力電圧を適当な電圧値にしてコンデンサ5を高速充電し、急激な過負荷変動に対応できるようにすればよい。
Further, in the time period before the
コンデンサ5の充電制御は、スイッチ11を開にして、コンバータ2の出力電圧の上げ下げの時間により行うことができる。またダイオード12はこのスイッチ開状態のときの急激な負荷変動に対応するためのものである。
Charging control of the
図6の特徴は、スイッチ11を閉じているときは図3と同じである。
6 is the same as FIG. 3 when the
スイッチ11をコントローラ10により開くことによりコンデンサ5の電圧が低い初期充電時でも、装置の運転が可能である。スイッチ11を開くことにより、通常使用時もコンバータ2からのみ充電電流が流れるので、コンバータ2の電圧設定が可変できるコンバータ2を使用し電圧可変時間設定によってコンデンサ5ヘの充電時間を可変することができる。 また、コントローラ10によりスイッチ11を閉じることにより急速充電も可能となる。
By opening the
以上述べた図6の実施形態によれば、次のような作用効果が得られる。 燃料電池6の起動停止は通常は系統1により行えるため補助バッテリーは不要になる。さらに系統1が異常のときでコンデンサ5に十分な電荷が蓄積されているときは、コンデンサ5による起動が可能である。コンデンサ5の電圧を比較的自由に設定できるので、負荷変動パターンを学習することにより燃料電池6の負荷変動を抑える電圧制御ができる。
According to the embodiment of FIG. 6 described above, the following operational effects can be obtained. Since the start and stop of the
初期状態においてコンデンサ5の電圧が低い時、図3では充電後の運転になるが、図6では燃料電池6のみで運転を開始することができる。これはスイッチ11を開くことによりコンデンサ5ヘの充電電流はコンバータ2からのみ供給されるため燃料電池6は負荷4へ電力を供給することができるためである。図6の実施形態は、コンデンサ5のみでも長時間負荷に電力を供給できるシステムに対して特に有用である。
When the voltage of the
図7は、本発明の第3の実施形態を説明するための概略構成図であり、図3と異なる点は、新たに、第1の開閉手段例えばスイッチ15(SW15)及び第2の開閉手段例えばスイッチ13(SW13)並びに第3の開閉手段例えばスイッチ17(SW17)と、逆流防止手段例えばダイオード16及び定電流回路例えば可変型定電流回路(以下定電流回路と称する)14を以下のように設けたものである。
FIG. 7 is a schematic configuration diagram for explaining a third embodiment of the present invention. The difference from FIG. 3 is that a new first opening / closing means such as a switch 15 (SW15) and a second opening / closing means. For example, the switch 13 (SW13) and the third opening / closing means such as the switch 17 (SW17) and the backflow prevention means such as the
燃料電池6により得られる直流電力に基づき負荷(ここでは交流負荷であるが、図1のように直流負荷04も存在することもある)4に対応する電力に変換する電力変換器例えばインバータ3を備え、燃料電池6とインバータ3の間の電気的接続部である直流回路に、
交流電力系統1の交流電力を直流電力に変換する交流―直流コンバータ2を並列に接続し、交流―直流コンバータ2とインバータ3の間の電気的接続部である直流回路に、該直流回路に流れる電流を任意に設定可能であって、起動停止制御可能な定電流回路14を設け、直流回路であって交流―直流コンバータ2と定電流回路14との接続点に燃料電池6を並列に接続し、直流回路であって定電流回路14とインバータ3との接続部に並列にコンデンサ5を接続し、燃料電池6とインバータ3の間の接続回路を開閉するスイッチ15を設け、定電流回路14と交流―直流コンバータ2の接続点及びスイッチ15と燃料電池6との接続点間を接続する回路を開閉するスイッチ13を設けたものである。
A power converter, for example, an
An AC-
さらに、定電流回路14とコンデンサ5の接続点及びスイッチ15とインバータ3間の回路に、該回路を開閉するスイッチ17と逆流防止手段例えばダイオード16からなる並列回路を設けたものである。
Further, a parallel circuit composed of a
なお、燃料電池6とスイッチ15との接続点にダイオード9及びスイッチ7の直列に接続している点は、図1、3、6と同一である。
In addition, the point which connected the
可変型定電流回路14は、例えば直流電源からの直流電圧を、スイッチング素子の開閉動作によりチョッピングする、いわゆるチョッパ回路において、スイッチング素子の開閉動作時間を制御することで、一定の出力電流を得ることができると共に、その出力電流は任意の値に設定可能に構成されている。
The variable constant
コントローラ10を示すブロックの内部に図示しないが、図9のようにコンバータ2の出力電圧を検出する電圧検出器D1、燃料電池6の発電電圧を検出する電圧検出器D2、コンデンサ5の電圧を検出する電圧検出器D3をそれぞれ備え、これらの電圧検出端子31、32、33は、次のように接続されている。電圧検出端子31は、コンバータ2の出力側と定電流回路14との接続点に接続され、また電圧検出端子32は燃料電池6とスイッチ7との接続点に接続され、更に電圧検出端子33は、コンデンサ5とスイッチ17との接続点に接続されている。この結果、電圧検出端子31、32,33にそれぞれ印加される電圧がコントローラ10の内部の各電圧検出器に導かれるようになっており、これによりコンバータ2の出力電圧、燃料電池6の発電電圧、コンデンサ5の電圧の状態を常に認識することができるようになっていて、この認識結果に基き、後述するようにスイッチ7、13、15、17及び定電流回路14、コンバータ2、燃料電池6、インバータ3などに対して所定の制御信号を、所定のタイミングで与えるようになっている。図4は、これを説明するためのもので、図4(a)は負荷変動・燃料電池電圧特性等を示し、図4(b)は前記各制御信号のタイミングチャートを示している。図5は、図4(a)の一部を拡大して示す図で、インバータの入力電圧を狭めることできるということを説明するための図である。
以下、コントローラ10の詳細について説明する。すなわち、負荷4が、燃料電池6の定格電力未満で燃料電池6の発電電圧がインバータ3の入力電圧の範囲内、或いは燃料電池6の発電電圧が一定電圧を超えないとき、 コントローラ10は、スイッチ13に対して開路指令を与えると共にスイッチ15に対して閉路指令を与え、またコントローラ10はスイッチ17に対して閉路指令を与え、負荷4の変動があり負荷4が重くなったときコントローラ10はコンデンサ5の電圧が低下しないように定電流回路14の出力定電流値を増やし、負荷4の変動がないか、負荷4の変動があっても負荷4が軽くなっているとき、コントローラ10は定電流回路14の出力電流をオフにする。
Although not shown in the block showing the
Details of the
また負荷4が燃料電池6の定格電力未満で燃料電池6の発電電圧がインバータ3の入力電圧の範囲、或いは燃料電池6の発電電圧が一定電圧を超えそうなとき、コントローラ10はスイッチ13に対して閉路指令を与え、かつスイッチ17に対して開路指令を与え、またコントローラ10はスイッチ17に対して閉路指令を与え、これにより定電流回路14からインバータ3に対して負荷電流と同等の出力電流を流し、インバータ3等の直流回路に接続されている機器の入力電圧を一定電圧以上上げないようにする。
When the
ここで、定電流回路14は、負荷4が非常に重いときは後述するように動作を停止(出力電流0)にしている。従って、それ以外の条件で動作しているため、そのときの制御方法について説明する。負荷4が軽くなり、定電流回路14でも電流を供給できる負荷電流になったとき、インバータ3の入力電圧の上限になる前に、スイッチ13と、スイッチ17を閉じ、スイッチ15を開いて負荷4へは定電流回路14から電流供給を行うようにする。
コンバータ2の出力電圧は燃料電池6の発電電圧より低くしておけば、負荷4へは燃料電池6から定電流回路14を経て電力供給されることになる。このとき、負荷電流と定電流回路14の定電流値を等しくしておけば、コンデンサ5は充放電が行なわれないため、現状の電圧を維持する。
このような制御は、コントローラ10で行い、定電流回路14の出力電流値設定の制御はコンデンサ5の電圧監視により行われる。つまり、コンデンサ5の電圧が上昇していれば、定電流回路14から負荷電流以上の電流が供給されていると判断し、定電流回路14の出力電流を減らす制御を行い、またコンデンサ5の電圧が下降していれば、定電流回路14からの電流が負荷電流より少ないと判断し、電流を増やす制御を行う。
Here, when the
If the output voltage of the
Such control is performed by the
次に、この状態で負荷4が軽い状態から重くなったときは、定電流回路14の電流では負荷電流をまかないきれなくなるため、スイッチ13を開き、スイッチ15を閉じて直接燃料電池6から負荷4へ電力の供給を行うようにする。
Next, when the
このとき、コントローラ10は定電流回路14の出力電流を0にするように制御する。ただ、コンバータ2の出力電圧を定電流回路14の入力電圧範囲内になるように設定しておけば、いつでも電流が供給可能となる。もし、燃料電池6から直接電力を供給してもコンデンサ5の電圧が下降しているときは、定電流回路14から電流を流してコンデンサ5の電圧の下降を抑えるように徐々に定電流回路14の電流を減らしていき、最終的に燃料電池6の電流と負荷電流をバランスするように制御する。燃料電池6と負荷電流がバランスした後は定電流回路14からの電流は0となっている。
At this time, the
ここで、燃料電池6と負荷電流をバランスさせる方法は、以下のように行う。負荷が安定状態から変動したとき(スイッチ17あるいはスイッチ17が開放しているときは、ダイオード16を介してコンデンサ5の電流が流れ、コンデンサ電圧が下降していく。このとき)、以前は負荷4が安定状態であったので、定電流回路14からの出力電流は0であるが、コンデンサ5の電圧低下を検知して定電流回路14からコンデンサ5に電流を供給するようにする。
Here, the method of balancing the
このようにしてコンデンサ5の電圧と燃料電池6の電圧が大きく変動しないようにしている。負荷変動が短時間でまたすぐにもとの電力に戻るときは、定電流回路14からの電流は、コンデンサ5や燃料電池6の電圧が元の電圧に徐々に戻っていくので、定電流回路14からの電流を徐々に減らして安定した電圧のところで0にする。
In this way, the voltage of the
負荷変動が短時間で終わらない場合は(コンデンサ5や燃料電池6の電圧が下降し続ける場合は、スイッチ17が開路状態のときスイッチ17を閉路して(16の電力損失を無くして)定電流回路14の出力電流を増やして下降する速度を遅くする。
When the load fluctuation does not end in a short time (if the voltage of the
電圧が安定してきたところで徐々に定電流回路14からの電流を減らしてコンデンサ5や燃料電池6の電圧が安定したところで0にする。
When the voltage has stabilized, the current from the constant
負荷電力が燃料電池6の電力以上でこれが長く続くときは、コンデンサ5や燃料電池6の電圧が燃料電池6の定格電圧以下に下がるので、このときは定電流回路14からの出力電流を0とし、スイッチ13、15、(17)を閉じて系統電源1からの電力(コンバータ2からの電力)を負荷4に供給できるようにする。
When the load power is equal to or higher than the power of the
以上述べたことを図4(b)を用いて説明する。始めに、図4(b)の時刻t1において、システムの立ち上げると定電流回路14も同時に起動しコンデンサ5への充電を開始する。このとき、コンバータ2から重要負荷への電力供給、燃料電池の立上げも同時に行われる。
The above will be described with reference to FIG. First, at time t1 in FIG. 4B, when the system is started up, the constant
時刻t2において燃料電池6の発電電圧が一定値に達したので、コントローラ10はスイッチ7、15に対して閉路指令を与え、スイッチ7、15は閉路状態とし全負荷への電力供給を開始する。
Since the power generation voltage of the
時刻t3においてコンデンサ5の充電電圧がある一定値に達したので、コントローラ10はスイッチ17に対して閉路指令を与えると、スイッチ17は閉路状態となる。ここで、時刻t3まで、スイッチ17を閉路状態にしないのは、コンデンサ5の電圧が低いため、インバータ3の入力電圧範囲外であるためである。また、時刻t2とt3のタイミングが逆になる可能性もある。本タイムチャートで時刻t3以降は通常の動作状態となる。
Since the charging voltage of the
時刻t4において負荷4が重くなり、かつコンデンサ5の電圧が燃料電池6の定格電圧付近まで下がったとき、コントローラ10は定電流回路14に対して停止指令を与えて定電流値を0にし、かつスイッチ13に対して閉路指令を与えスイッチ13を閉路状態にし、この状態ではスイッチ15は既に閉路状態にあるので、負荷4側のインバータ3には燃料電池6からの電力だけでなくコンバータ2からも電力を供給する。
When the
時刻t5においてコンデンサ5の電圧がある一定電圧以上になったときコントローラ10は負荷4が軽くなったと判断し、コントローラ10はスイッチ13に対して開路指令を与えてスイッチ13を開路状態にする。コンデンサ5は燃料電池6からの充電により燃料電池と同じ電圧値で上昇する。
When the voltage of the
さらに、時刻t6においてコントローラ10は負荷4が更に軽くなり、燃料電池6の出力電圧がインバータ3等の入力電圧を超えそうな状態である場合、それを検知し、コントローラ10はスイッチ15に対して開路指令を与えてスイッチ15を開路状態にし、また同時にコントローラ10はスイッチ13に対して閉路指令を与えてスイッチ13を閉路状態とすることにより、定電流回路14を燃料電池の負荷とすることで、インバータ3の入力電圧を制限している。このとき定電流回路14で設定されている負荷電流と同等の出力定電流がインバータ3を介して負荷4に供給される。
Further, at time t6, the
時刻t7において燃料電池6の出力電圧の電圧低下によりコントローラ10は負荷4がある程度重くなってきたと判断し、コントローラ10はスイッチ15に対して閉路指令を与えてスイッチ15を閉路状態とし、コントローラ10はスイッチ13に対して開路指令を与えてスイッチ13を開路状態にする。ここで、時刻t5〜t7の詳細については、図5に示す通りで、時刻t6においてインバータ3の入力電圧制限を行っている。
At time t7, the
時刻t9においてコントローラ10は負荷4が重くなったと判断し、時刻t4と同様に定電流回路14を停止し、スイッチ13に対して閉路指令を与えてスイッチ13を閉路状態とし、この状態ではスイッチ15は既に閉路状態にあるので、負荷4側のインバータ3には燃料電池6からの電力だけでなくコンバータ2からも電力を供給する。時刻t10においてコントローラ10は負荷4が軽くなったと判断し、時刻t5と同様にコントローラ10はスイッチ13を開路し、コンデンサ5は燃料電池6からの充電により電圧が回復する。
At time t9, the
さらに、時刻t11においてコントローラ10は、コンデンサ5の電圧が低下してきたので負荷4が重くなったと判断し、コントローラ10は停止状態にある定電流回路14に対して起動指令を与えて定電流回路14を起動させ、コントローラ10が設定した定電流を供給することにより、電圧変動を抑えるようにする。このとき、すぐに電圧が安定すれば徐々に定電流値を減少させ、最終的には燃料電池6のみで負荷電流をまかなうようにする。この動作については、時刻t7と時刻t9の間の時刻t8でも過度的に時刻t11の状態は存在する。時刻t12において、時刻t4と同様に負荷4が重くなり、コントローラ10は定電流回路14に対して停止指令を与えて定電流回路14を停止させ、かつスイッチ13に対して閉路指令を与えスイッチ13を閉路状態にし、この状態ではスイッチ15は既に閉路状態にあるので、負荷4側のインバータ3には燃料電池6からの電力だけでなくコンバータ2からの電力を供給可能にする。以下時刻t13はt5と、時刻t14は時刻t6と同様である。
Further, at time t11, the
なお、図4(b)のスイッチ17のタイムチャートで、表示されている破線は、次のような意味を示している。すなわち、これまでのスイッチ17の説明は、時刻t3でスイッチ17に対して閉路指令を与えて閉路状態とし、これ以降はこの閉路状態のまま継続した場合であったが、破線は時刻t7、t14近くでスイッチ17に対して短時間だけ開路指令を与えて短時間開路状態としたことを意味しており、破線のようなスイッチ17の開閉が、燃料電池6の負荷平準化のために必要な場合もある。また、スイッチ17とダイオード16を入れることは、前述のようにシステムの起動時に負荷にすぐに電力を供給できるなどの利点がある。
In the time chart of the
図7の実施形態によれば、次のような作用効果が得られる。 According to the embodiment of FIG. 7, the following operational effects can be obtained.
a)前述の実施形態と同様に、直接直流回路にコンデンサ5を入れることにより、コンデンサ5からの高速出力により急峻な負荷変動に対して燃料電池6の発電効率維持及び劣化抑制が可能である。
a) Similar to the above-described embodiment, by directly inserting the
b)コントローラ10により以下に示す制御を行うことにより、インバータ3の入力電圧や可変型定電流回路14の入力電圧を狭めることができる。
b) By performing the following control by the
負荷4が軽くなり燃料電池6の発電電圧が高くなったとき、スイッチ15を開、スイッチ13を閉にすることにより燃料電池6の負荷としては定電流回路14になり、切り替え後の定電流回路14を負荷電流と同じにすることで、燃料電池6の電圧変動は起こらず、さらに負荷4が軽くなっても定電流回路14の電流値を抑えることができ、これによりコンデンサ5の電圧を一定に保ちインバータ3の入力電圧も制限を超えることはない。
When the
c)定電流回路14を使用しているので、負荷が安定していて定電流回路14から電力を供給できるとき、コントローラ10から定電流回路14に対して与えている出力電流の設定値Iと、燃料電池6の発電電圧を検出する電圧検出器の検出値Vを、定期的にオンラインで読み取ることで、燃料電池6のIV特性を測定することができ、運転制御を適切に行うことができると共に、燃料電池6の劣化を確認できる。
c) Since the constant
図8は前述した本発明の燃料電池発電システム100を使用して配電盤20と接続する場合、あるいは配電盤20内における負荷選択制御装置を説明するための図である。これは、燃料電池発電システム100に、前述したコントローラ10により開閉制御される開閉手段、例えば通常負荷選択スイッチ(直送・燃料電池発電システム交流負荷切換スイッチ又は交流負荷選択スイッチ)22、23、24と重要負荷選択スイッチ(直送・燃料電池発電システム交流負荷切換スイッチ又は交流負荷選択スイッチ)25と、系統切離スイッチ26と燃料電池6と負荷選択スイッチが含まれている配電盤20からなる。
FIG. 8 is a diagram for explaining a load selection control device in the case where the fuel cell
スイッチ22〜25は、いずれも系統と燃料電池発電システムの出力とを切り替えるものであって、常開端子a、常閉端子b、共通端子を有し、前述したコントローラ10からの開閉指令により、常開端子a、常閉端子bのいずれかに切換るスイッチで、メカニカルスイッチ、半導体スイッチのいずれかであってもよく、さらに無瞬断切換スイッチであってもよい。
Each of the
系統切離スイッチ26は常に閉(導通)つまりスイッチは存在せず短絡状態であってもよく、スイッチがある場合でスイッチ開のとき、あるいは系統が故障か系統に接続されていないときは、負荷選択スイッチは優先順に応じて電力容量に見合った容量の負荷を選択するためのスイッチとして働く。 The system disconnection switch 26 is always closed (conducting), that is, the switch may not exist and may be in a short-circuit state. When there is a switch and the switch is open, or when the system is faulty or not connected to the system, the load The selection switch functions as a switch for selecting a load having a capacity corresponding to the power capacity according to the priority order.
このときの負荷選択スイッチ22〜25は優先順位に応じて、電力容量に見合った分だけ閉路される,この様な構成において、スイッチ22〜25の切換えは、前述した図1の説明内の所定の条件のときに行う。
At this time, the load selection switches 22 to 25 are closed by an amount corresponding to the power capacity according to the priority order. In such a configuration, the switching of the
この所定の条件が満たされていないとき、スイッチ22〜25は燃料電池発電システム100側が閉になっていて、燃料電池発電システムから全電力が負荷に供給される。前記所定の条件のうちの一つ、例えば燃料電池6の故障時は、前述したコントローラ10がそれを検出してスイッチ26を閉にすると共に、スイッチ22〜25を系統側に切換え、負荷の全電力を系統から供給できるようにする。
When this predetermined condition is not satisfied, the
ただし、全負荷が購入契約電力を上回る時には、重要でない負荷は系統側に切り換えずに電力を供給しないようにすることもできる。また系統が故障のときは、例えば重要負荷選択スイッチ25のみ燃料電池供給システム側にして、スイッチ22〜25は系統側に切り替え、スイッチ26を開にすることにより重要負荷のみに電力を供給することが可能となる。このときスイッチ26については開にしなくてもよい場合もあり、この場合はスイッチ26も必要がなくここは短絡されていてもよい。このように重要負荷は燃料電池6が故障、あるいは系統電源1の異常があっても安定な状態を保つことができる。また燃料電池発電システムと系統の切換えについて、ここでは各負荷ごとの切換えとしているが、通常負荷一括の切換えでもよく、または一括切換えと個別切換えの混在方式であってもよい。
However, when the total load exceeds the purchase contract power, it is possible to prevent the unimportant load from being supplied without switching to the grid side. When the system fails, for example, only the important
図9は、前述したコントローラ10の一例を説明するためのであり、これはコントローラ用電源101と、制御部102、引き込みダイオード103、104、105、9と、コンデンサ106と、第1の電圧検出器D1を構成する位分圧用抵抗107、108と、第2の電圧検出器D2を構成する109、110と、第3の電圧検出器D3を構成する111、112からなっている。コントローラ用電源101は、制御部102に電圧を安定して供給できればなんでもよく、例えば直流―直流コンバータを用いる。
FIG. 9 is a diagram for explaining an example of the
コントローラ用電源101には、燃料電池電圧、コンバータ電圧、コンデンサ電圧は、いずれも引き込みダイオード9、103、104、105を介して入力されるようになっており、燃料電池6、コンバータ2、コンデンサ5からの電流は、逆流しないようになっている。これにより、出力電圧の一番高い電圧を電源として使用することができる。また、燃料電池6か系統1が異常のときでも、正常な電源を使用して制御を継続することができる。さらに、燃料電池6と系統1の両方が異常でもコンデンサ5に電荷があれば、コンデンサ5の電圧が制御部102の最低入力電圧以下になるまでの間は、制御を継続できる。従って、異常警報を出す、或いは負荷スイッチの遮断などの処置をおこなうことができるし、燃料電池か系統電源1が正常なとき重要負荷の選択を行ったり、本発明の燃料電池発電システムを経由しない電力供給に切り替えることもできる。なお、ダイオード103、104、105は、燃料電池6の出力電圧が、コントローラ用電源101の入力電圧より高くなることが考えられる場合には、その電圧を検出して燃料電池6からの電圧を遮断するとか、電圧を降下させる回路を追加することが考えられる。
A fuel cell voltage, a converter voltage, and a capacitor voltage are all input to the controller power source 101 via the lead-in
(変形例)
前述した燃料電池6としては、燃料電池システムとして考えてよく、このとき水素供給方式は貯蔵水素供給型、又は改質水素供給型のいずれであってもよい。
(Modification)
The
図1の実施形態では、直流回路に電力変換器として、インバータ3と直流―直流コンバータ50を設け、各インバータ3、コンバータ50の出力側に交流負荷4、直流負荷04を接続した例を示しが、この交流負荷4、直流負荷04のうちのいずれか一方に電力が供給可能な構成としてもよく、また図3、図6、図7の実施形態では直流回路に電力変換器として、インバータ3のみを設け、インバータ3の出力側に交流負荷4のみを接続した例を示したが、図1のように交流負荷4と直流負荷04の両方或いは直流負荷04のみに電力が供給可能な構成としてもよい。
In the embodiment of FIG. 1, an
さらに前述した実施形態、例えば図8で示した負荷の増減又は切り替えをおこなうためのスイッチ22〜28の制御は、コントローラ10により行うが、コントローラ10は各制御に対して別々に設けてもよく、前述の実施形態と同様に全てを一つのコントローラ10で制御してもよい。
Further, the control of the
前述したコンバータ2は系統1の交流電力を直流電力に変換する装置で外部信号により出力電圧を可変させることができる、また過電流時は垂下あるいはフの字特性を持った過電流特性を有していることは、言うまでもない。
The
図1、図3、図6、図7の実施形態では、燃料電池6の出力間に、スイッチ7とダイオード9を直列に接続した例を説明したが、スイッチ7とダイオード9は、必ずしもこの位置に限らず、燃料電池6の内部に配設してもよく、またダイオード9は直流回路から燃料電池6へ電流が流れるのを阻止する、いわゆる逆流防止ができれば何でもよく、スイッチ7は燃料電池6の立ち上げ時以外は閉路し、燃料電池6が異常のときは開路するものであるので、このような機能が得られればこれに限らず何でもよい。
In the embodiment of FIGS. 1, 3, 6, and 7, the example in which the
前述の実施形態では、コンデンサの一例としてスーパキャパシタを例に挙げて説明したが、コンデンサに代えてリチウムイオン電池などの二次化学電池を利用することも可能である。 In the above-described embodiment, a super capacitor has been described as an example of a capacitor, but a secondary chemical battery such as a lithium ion battery may be used instead of the capacitor.
図7の実施形態では、定電流回路14とコンデンサ5の接続点及びスイッチ15とインバータ3及び又は直流―直流コンバータ50(図1)の接続点間の回路に、スイッチ17とダイオード16を並列接続した並列回路を、設けた例について説明したが、これはシステム立ち上げ時に、燃料電池6、コンデンサ5、定電流回路14を同時に運転する際に有効な場合である。この実施形態において、スイッチ17を常に閉路状態とすることで、ダイオード16を省くことができる。つまり、定電流回路14とコンデンサ5の接続点及びスイッチ15とインバータ3及び又は直流―直流コンバータ50の接続点間の回路が接続されていれば、スイッチ17とダイオード16を省くことができる。
In the embodiment of FIG. 7, the
図1、図3、図6、図7、図8の実施形態の全てのスイッチは、機械式であっても、半導体式であってもよい。 All switches in the embodiments of FIGS. 1, 3, 6, 7, and 8 may be mechanical or semiconductor.
D1…第1の電圧検出器、D2…第2の電圧検出器、D3…第3の電圧検出器、1…交流電力系統、2…コンバータ、3…インバータ、3…保ちインバータ、4…交流負荷(41、42)、04…直流負荷(041、042)、5…コンデサ、6…燃料電池、7…燃料電池切離スイッチ、7…スイッチ、8…負荷選択スイッチ、10…コントローラ、11…直流回路用スイッチ、12…ダイオード、13…スイッチ、14…可変型定電流回路、15…スイッチ、16…ダイオード、17…スイッチ、20…配電盤、22〜24…負荷選択スイッチ、25…重要負荷選択スイッチ、26…系統切離スイッチ、31、32、33…電圧検出端子、50…コンバータ、60…直流負荷切離手段、61…交流負荷選択手段、100…燃料電池発電システム、101…コントローラ用電源、102…制御部、103、104…ダイオード、106…コンデンサ、107、108…分圧用抵抗、601.602…直流負荷切離スイッチ、611、612…交流負荷選択スイッチ。 D1 ... First voltage detector, D2 ... Second voltage detector, D3 ... Third voltage detector, 1 ... AC power system, 2 ... Converter, 3 ... Inverter, 3 ... Keep inverter, 4 ... AC load (41, 42), 04 ... DC load (041, 042), 5 ... capacitor, 6 ... fuel cell, 7 ... fuel cell disconnect switch, 7 ... switch, 8 ... load selection switch, 10 ... controller, 11 ... DC Circuit switch, 12 ... diode, 13 ... switch, 14 ... variable constant current circuit, 15 ... switch, 16 ... diode, 17 ... switch, 20 ... switchboard, 22-24 ... load selection switch, 25 ... important load selection switch , 26 ... System disconnection switch, 31, 32, 33 ... Voltage detection terminal, 50 ... Converter, 60 ... DC load isolation means, 61 ... AC load selection means, 100 ... Fuel cell power generation system, DESCRIPTION OF SYMBOLS 101 ... Controller power supply, 102 ... Control part, 103, 104 ... Diode, 106 ... Capacitor, 107, 108 ... Voltage dividing resistor, 601.602 ... DC load isolation switch, 611, 612 ... AC load selection switch.
Claims (13)
所定の条件が成立するとき、前記交流電力系統を前記負荷に電気的に直接接続する手段を備えたことを特徴とする請求項1乃至7のいずれか1項記載の燃料電池発電システム。 The rated input voltage of the load is equal to the AC voltage of the AC power system,
8. The fuel cell power generation system according to claim 1, further comprising means for electrically connecting the AC power system directly to the load when a predetermined condition is satisfied.
前記燃料電池と前記電力変換器の間の電気的接続部である直流回路に、交流電力系統の交流電力を直流電力に変換する交流一直流コンバータを並列に接続し、
前記直流回路であって前記燃料電池と前記電力変換器との接続部に並列にコンデンサを接続し、
前記直流回路であって前記燃料電池と前記コンデンサとの接続部に直列に、該直流回路を開閉する開閉手段を設け、
前記電力変換器の入力側と前記開閉手段との接続点と、前記コンデンサと前記コンバータとの接続点の間であって、前記コンデンサの放電電流が前記電力変換器を介して負荷に流れるようにすると共に、前記燃料電池から前記コンデンサへの充電電流が流れないようにする逆流防止手段を設け、
前記燃料電池及び又は前記コンデンサで得られる電力に基づいた電力を、前記電力変換器により変換して前記負荷に、前記燃料電池の立ち上げ時を除き常時供給可能にし、
前記負荷の過去の電気使用量のデータ又は前記負荷の電気使用量の推定値に基き前記開閉手段の開閉制御を行い前記コンデンサの充電電圧を制御する制御手段を備えたことを特徴とする燃料電池発電システム。 A power converter that converts DC power obtained by the fuel cell into power corresponding to the load,
An AC-DC converter that converts AC power of an AC power system into DC power is connected in parallel to a DC circuit that is an electrical connection between the fuel cell and the power converter,
In the DC circuit, a capacitor is connected in parallel to the connection between the fuel cell and the power converter,
In the DC circuit, in series with the connection part of the fuel cell and the capacitor, an opening / closing means for opening and closing the DC circuit is provided,
Between a connection point between the input side of the power converter and the switching means and a connection point between the capacitor and the converter, so that a discharge current of the capacitor flows to the load via the power converter. And a backflow prevention means for preventing charging current from flowing from the fuel cell to the capacitor,
The power based on the power obtained by the fuel cell and / or the capacitor is converted by the power converter so that the load can be constantly supplied except when the fuel cell is started up,
A fuel cell comprising: control means for controlling the charging voltage of the capacitor by performing opening / closing control of the opening / closing means based on data of past electricity usage of the load or an estimated value of electricity usage of the load Power generation system.
前記燃料電池と前記電力変換器の間の電気的接続部である直流回路に、交流電力系統の交流電力を直流電力に変換する交流一直流コンバータを並列に接続し、
前記交流一直流コンバータと前記電力変換器の電気的接続部である直流回路に該直流回路に流れる出力電流を任意に設定可能であって、起動停止制御可能な定電流回路を設け、
前記直流回路であって前記定電流回路と前記電力変換器との接続部に並列にコンデンサを接続し、
前記燃料電池と前記電力変換器の間の接続回路を開閉する第1の開閉手段を設け、
前記定電流回路と前記交流―直流コンバータの接続点及び前記第1の開閉手段と前記燃料電池との接続点間を接続する回路を開閉する第2の開閉手段を設け、
たことを特徴とする燃料電池発電システム。 A power converter that converts DC power obtained by the fuel cell into power corresponding to the load,
An AC-DC converter that converts AC power of an AC power system into DC power is connected in parallel to a DC circuit that is an electrical connection between the fuel cell and the power converter,
An output current flowing in the DC circuit can be arbitrarily set in a DC circuit which is an electrical connection part of the AC-DC converter and the power converter, and a constant current circuit capable of starting and stopping control is provided,
In the DC circuit, a capacitor is connected in parallel to the connection between the constant current circuit and the power converter,
Providing a first opening / closing means for opening / closing a connection circuit between the fuel cell and the power converter;
A second opening / closing means for opening / closing a connection point between the constant current circuit and the AC / DC converter and a connection point between the first opening / closing means and the fuel cell;
A fuel cell power generation system characterized by that.
更に備えたことを特徴とする請求項10記載の燃料電池発電システム。 The circuit between the connection point of the constant current circuit and the capacitor and the connection point of the first switching means and the power converter, and a parallel circuit comprising a third switching means for opening and closing the circuit and a backflow prevention means The
The fuel cell power generation system according to claim 10, further comprising:
を更に備えたことを特徴とする請求項10又は請求項11に記載の燃料電池発電システム。 By monitoring the power generation voltage of the fuel cell and the voltage state of the capacitor, that is, the state of the load current, the output current and start / stop of the first and second switching means, the constant current circuit, and the converter Control means for giving a control command to the output voltage and / or the third switching means;
The fuel cell power generation system according to claim 10 or 11, further comprising:
また前記負荷が前記燃料電池の定格電力未満で前記燃料電池の発電電圧が前記電力変換器の入力電圧の範囲、或いは前記燃料電池の発電電圧が一定電圧を超えそうなとき、前記制御手段は前記第2の開閉手段に対して閉路指令を与え、かつ前記第1の開閉手段に対して開路指令を与え、また前記制御手段は前記第3の開閉手段に対して閉路指令を与え、これにより前記定電流回路から前記電力変換器に対して負荷電流と同等の出力電流を流し、前記電力変換器等の直流回路に接続されている機器の入力電圧を一定電圧以上上げないことを特徴とする請求項12に記載の燃料電池発電システム。 When the load is less than the rated power of the fuel cell and the generated voltage of the fuel cell is within the range of the input voltage of the power converter, or the generated voltage of the fuel cell does not exceed a certain voltage, the control means, An opening instruction is given to the second opening / closing means and a closing instruction is given to the first opening / closing means, and the control means gives a closing instruction to the third opening / closing means, and the load When there is a fluctuation and the load becomes heavy, the control means increases the output constant current value of the constant current circuit so that the voltage of the capacitor does not decrease, there is no fluctuation in the load, or there is a fluctuation in the load. When the load is lighter, the control means turns off the output current of the constant current circuit,
When the load is less than the rated power of the fuel cell and the generated voltage of the fuel cell is in the range of the input voltage of the power converter, or when the generated voltage of the fuel cell is likely to exceed a certain voltage, the control means A closing instruction is given to the second opening / closing means, and an opening instruction is given to the first opening / closing means, and the control means gives a closing instruction to the third opening / closing means, thereby An output current equivalent to a load current is supplied from a constant current circuit to the power converter, and an input voltage of a device connected to a DC circuit such as the power converter is not increased more than a certain voltage. Item 15. The fuel cell power generation system according to Item 12.
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