JP5145313B2

JP5145313B2 - Fuel cell system

Info

Publication number: JP5145313B2
Application number: JP2009263018A
Authority: JP
Inventors: 浩二進藤
Original assignee: Eneos Celltech Co Ltd
Current assignee: Eneos Celltech Co Ltd
Priority date: 2009-11-18
Filing date: 2009-11-18
Publication date: 2013-02-13
Anticipated expiration: 2022-12-27
Also published as: JP2010067616A

Description

本発明は、燃料電池を電力系統に連系して運転するシステムに関するものである。 The present invention relates to a system for operating a fuel cell linked to a power system.

近年、天然ガス、都市ガス、メタノール、ＬＰＧ、ブタンなどの燃料ガスを水素に改質する改質器と、一酸化炭素を変成するＣＯ変成器と、一酸化炭素を除去するＣＯ除去器（以下、これら改質器と、ＣＯ変成器と、ＣＯ除去器とを合わせて改質装置と称す。）と、水素によって発電する燃料電池などを備えた燃料電池発電システムが提案されている。 In recent years, a reformer that reforms a fuel gas such as natural gas, city gas, methanol, LPG, or butane into hydrogen, a CO converter that transforms carbon monoxide, and a CO remover that removes carbon monoxide (hereinafter referred to as “CO remover”) The reformer, the CO converter, and the CO remover are collectively referred to as a reformer.), And a fuel cell power generation system including a fuel cell that generates power using hydrogen has been proposed.

特に、家庭用の小型電源としては固体高分子形の燃料電池システムが用いられており、係る燃料電池システムは、改質装置と、燃料電池と、制御装置と、水タンクと、各種ポンプ類と、発電時に生じる廃熱を回収して温水とする熱交換器と、燃料電池で発電した電力を調整して商用交流に変換する電力変換装置とを備えたＰＥＦＣ装置と、上記熱交換器にて燃料電池で発生した熱を回収した温水（熱回収水）を貯留する貯湯タンクなどを備えた熱回収装置とにより構成される。そして、固体高分子電解質膜の両面に設けたアノードとカソードに前述の水素ガスと空気を供給し、空気中の酸素（酸化剤ガス）と反応させて電力を発生させるものであった。 In particular, a polymer electrolyte fuel cell system is used as a small power source for home use. The fuel cell system includes a reformer, a fuel cell, a controller, a water tank, various pumps, and the like. A PEFC device including a heat exchanger that recovers waste heat generated during power generation to generate hot water, and a power converter that adjusts the power generated by the fuel cell and converts it into commercial alternating current, and the heat exchanger And a heat recovery device including a hot water storage tank for storing hot water (heat recovery water) recovered from heat generated in the fuel cell. Then, the hydrogen gas and air described above are supplied to the anode and cathode provided on both surfaces of the solid polymer electrolyte membrane and reacted with oxygen (oxidant gas) in the air to generate electric power.

このような燃料電池システムは、商用電力系統に系統連系されて使用され、燃料電池により発電した電力を単独で、若しくは商用電力と共に使用できるように構成される。例えば家庭用で使用された場合には、家人が在宅中か否か、或いは、活動中か就寝中か否かなどによって電力消費量（負荷）は大きく変動するが、そのような場合には燃料電池の発電量より負荷が大きくなった時点で商用電力がその分を補う構成とされていた（例えば、特許文献１参照）。 Such a fuel cell system is used by being connected to a commercial power system, and is configured such that the power generated by the fuel cell can be used alone or together with the commercial power. For example, when used at home, the power consumption (load) varies greatly depending on whether the householder is at home, whether it is active or sleeping, etc. When the load becomes larger than the power generation amount of the battery, the commercial power is configured to compensate for that (see, for example, Patent Document 1).

特開２００１−６８１２５号公報JP 2001-68125 A

一方、電力消費量（負荷）が燃料電池の発電量よりも小さくなり、余剰電力が生じると、燃料電池で発電された電力が商用電力系統に流れ込む逆潮流現象が発生するため好ましくない。これを防止するためには燃料電池における発電量を係る負荷の変動に応じて調整することが考えられる。しかしながら、発電は水素と酸素の化学反応によって生じるため、発電量の調整は負荷変動に対してどうしても遅れが生じる。また、余剰水素を消費する改質装置などにおいて熱バランスが崩れると云う問題も生じる。 On the other hand, if the power consumption (load) is smaller than the power generation amount of the fuel cell and surplus power is generated, a reverse power flow phenomenon in which the power generated by the fuel cell flows into the commercial power system is not preferable. In order to prevent this, it is conceivable to adjust the power generation amount in the fuel cell in accordance with the fluctuation of the load. However, since power generation is caused by a chemical reaction between hydrogen and oxygen, adjustment of the power generation inevitably lags behind load fluctuations. Further, there arises a problem that the heat balance is lost in a reformer that consumes surplus hydrogen.

そこで、本発明は、従来の技術的課題を解決するために成されたものであり、燃料電池における余剰電力を的確に処理できる燃料電池システムを、比較的簡単な構成にて提供するものである。 Accordingly, the present invention has been made to solve the conventional technical problems, and provides a fuel cell system capable of accurately processing surplus power in a fuel cell with a relatively simple configuration. .

本発明のある態様は燃料電池システムである。当該燃料電池システムは、燃料電池と、前記燃料電池の出力を調整する電力変換装置と、前記燃料電池と前記電力変換装置とを電気的に接続する出力線と、前記出力線に対して電気的に接続され、前記燃料電池で発生する余剰電力を消費する内部負荷と、前記出力線と前記内部負荷との間に介在し、前記内部負荷への通電を制御する通電制御装置と、前記燃料電池における発電量を制御する発電量制御手段と、を備えることを特徴とする。 One embodiment of the present invention is a fuel cell system. The fuel cell system includes a fuel cell, a power conversion device that adjusts an output of the fuel cell, an output line that electrically connects the fuel cell and the power conversion device, and an electrical connection to the output line. An internal load that consumes surplus power generated in the fuel cell, an energization control device that is interposed between the output line and the internal load, and controls energization to the internal load, and the fuel cell And a power generation amount control means for controlling the power generation amount.

上記態様の燃料電池システムにおいて、前記燃料電池で発生した熱を回収する熱回収経路を更に備え、前記内部負荷は、前記熱回収経路を加熱する電気ヒータであってもよい。また、水が貯えられるタンクを更に備え、前記内部負荷は、前記タンクを加熱する電気ヒータであってもよい。また、前記内部負荷は前記電力変換装置内に位置していてもよい。 The fuel cell system of the above aspect may further include a heat recovery path for recovering heat generated in the fuel cell, and the internal load may be an electric heater for heating the heat recovery path. The tank may further include a tank for storing water, and the internal load may be an electric heater for heating the tank. The internal load may be located in the power converter.

さらに、前記通電制御装置は、前記余剰電力量に応じて前記内部負荷への通電量を制御してもよい。また、前記発電量制御手段は、電力需要負荷に応じて前記燃料電池における発電量を制御してもよい。 Further, the energization control device may control the energization amount to the internal load according to the surplus power amount. The power generation amount control means may control the power generation amount in the fuel cell according to a power demand load.

本発明によれば、燃料電池における余剰電力を簡易な構成にて的確に処理することができる。 According to the present invention, surplus power in a fuel cell can be accurately processed with a simple configuration.

実施の形態に係る燃料電池システムの構成図である。1 is a configuration diagram of a fuel cell system according to an embodiment. FIG. 図１の燃料電池システムの商用電力系統への接続状態を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows the connection state to the commercial power system of the fuel cell system of FIG.

以下、図面に基づいて本発明の実施形態を詳述する。実施例における燃料電池システムＳは、固体高分子形燃料電池（ポリマ・エレクトロライト・フューエル・セル：ＰＥＦＣ装置）を用いた発電システムであり、例えば、図示しない家屋の軒下などに設置されるものである。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. The fuel cell system S in the embodiment is a power generation system using a polymer electrolyte fuel cell (polymer electrolite fuel cell: PEFC device), and is installed, for example, under the eaves of a house (not shown). is there.

この燃料電池システムＳは、上記ＰＥＦＣ装置の他に燃料電池システムＳの発電において生じる熱を有効的に利用するコージェネレーションシステムの形態を採用しているため、熱回収装置として貯湯タンク７を有している。 Since this fuel cell system S adopts a cogeneration system that effectively uses heat generated in power generation of the fuel cell system S in addition to the PEFC device, it has a hot water storage tank 7 as a heat recovery device. ing.

図１を参照して実施例の固体高分子形の燃料電池システムＳについて説明する。この燃料電池システムＳでは、天然ガス、都市ガス、メタノール、ＬＰＧ、ブタン等の燃料の供給源である燃料供給源１と、燃料ガスから硫黄成分を除去する脱硫器２と、改質装置１３と、固体高分子形の燃料電池６とを備える。改質装置１３は、燃料ガスから水素、二酸化炭素及び一酸化炭素を含む改質ガスを生成する改質器３と、この改質器３からの改質ガスに含まれる一酸化炭素を二酸化炭素に変成するＣＯ変成器４と、このＣＯ変成器４からの未変性の一酸化炭素を除去するＣＯ除去器５とを備えている。 The polymer electrolyte fuel cell system S of the embodiment will be described with reference to FIG. In this fuel cell system S, a fuel supply source 1 that is a supply source of fuel such as natural gas, city gas, methanol, LPG, butane, a desulfurizer 2 that removes sulfur components from the fuel gas, a reformer 13, And a polymer electrolyte fuel cell 6. The reformer 13 generates a reformed gas 3 containing hydrogen, carbon dioxide and carbon monoxide from the fuel gas, and converts the carbon monoxide contained in the reformed gas from the reformer 3 into carbon dioxide. A CO converter 4 that converts to CO, and a CO remover 5 that removes unmodified carbon monoxide from the CO converter 4.

燃料電池６は、改質装置１３のＣＯ除去器５からの一酸化炭素が除去された後の水素（燃料ガス）と空気中に含まれる酸素（酸化剤ガス）とを反応させて電力を発生させるものであり、この燃料電池６は、燃料極（アノード）６ａと、空気極（カソード）６ｂと、冷却部６ｃとを備えている。 The fuel cell 6 generates electric power by reacting hydrogen (fuel gas) after the removal of carbon monoxide from the CO remover 5 of the reformer 13 with oxygen (oxidant gas) contained in the air. The fuel cell 6 includes a fuel electrode (anode) 6a, an air electrode (cathode) 6b, and a cooling unit 6c.

前記燃料供給源１からはガス管１７が延出され、このガス管１７には電磁開閉弁１８及び昇圧ポンプ１９が設けられ、ガス管１７は脱硫器２に接続される。脱硫器２はガス管２２を介して改質装置１３の改質器３に接続される。そして、この改質器３は、図示しないガス管により、ＣＯ変性器４、ＣＯ除去器５と順次接続されている。この改質装置１３には、ポンプ４０が設けられた配管４１を介して水タンク２１が接続される。 A gas pipe 17 extends from the fuel supply source 1, and an electromagnetic on-off valve 18 and a booster pump 19 are provided in the gas pipe 17, and the gas pipe 17 is connected to the desulfurizer 2. The desulfurizer 2 is connected to the reformer 3 of the reformer 13 through the gas pipe 22. The reformer 3 is sequentially connected to a CO modifier 4 and a CO remover 5 by a gas pipe (not shown). A water tank 21 is connected to the reformer 13 via a pipe 41 provided with a pump 40.

ここで、水タンク２１は、水道管を通じて市水が供給された水処理装置８により、純水とされた水を貯留するものである。尚、水処理装置８にて純水とされた水は、この他にも、ポンプ４４により各配管９、１０を介して水タンク１１及び１２に搬送される。また、水道管４７を通じて市水は、貯湯タンク７にも供給されているものとする。 Here, the water tank 21 stores water that has been made pure water by the water treatment device 8 supplied with city water through a water pipe. In addition, the water made pure water by the water treatment device 8 is also transferred to the water tanks 11 and 12 via the pipes 9 and 10 by the pump 44. The city water is also supplied to the hot water storage tank 7 through the water pipe 47.

そして、ＣＯ除去器５は、ガス管２３を介して水タンク１１に接続され、この水タンク１１は、配管２４を介して燃料電池６の燃料極６ａに接続される。この燃料極６ａは、配管３７を介して改質装置１３に接続されていると共に、配管３７には、ドレン水配管３８が接続されている。そして、水タンク１１は、配管２５を介して燃料電池６の冷却部６ｃに接続され、冷却部６ｃは、熱回収用熱交換器２７が介設された配管２６を介して再び水タンク１１に接続されている。 The CO remover 5 is connected to the water tank 11 via the gas pipe 23, and the water tank 11 is connected to the fuel electrode 6 a of the fuel cell 6 via the pipe 24. The fuel electrode 6 a is connected to the reformer 13 through a pipe 37, and a drain water pipe 38 is connected to the pipe 37. The water tank 11 is connected to the cooling unit 6c of the fuel cell 6 via a pipe 25, and the cooling unit 6c is again connected to the water tank 11 via a pipe 26 provided with a heat recovery heat exchanger 27. It is connected.

他方、上記水タンク１２は、配管３１を介して空気ポンプ（空気供給源）３０と接続され、配管３２を介して燃料電池６の空気極６ｂに接続される。この空気極６ｂは、配管３４を介して熱回収用熱交換器３３に接続される。この熱回収用熱交換器３３には、排気ダクト３５及びドレン水配管３６が接続される。 On the other hand, the water tank 12 is connected to an air pump (air supply source) 30 via a pipe 31 and is connected to an air electrode 6 b of the fuel cell 6 via a pipe 32. The air electrode 6 b is connected to the heat recovery heat exchanger 33 through a pipe 34. An exhaust duct 35 and a drain water pipe 36 are connected to the heat recovery heat exchanger 33.

また、上記貯湯タンク７は、ポンプ４５により温水配管４２を介して上述した熱回収用熱交換器２７と接続されていると共に、昇圧ポンプ４６により温水配管４３を介して上述した熱回収用熱交換器３３と接続されている。尚、５０は燃料電池６の発電を制御するコントローラ（制御手段）であり、上記各ポンプや弁などのシステム内機器を制御するものである。 The hot water storage tank 7 is connected to the heat recovery heat exchanger 27 described above via a hot water pipe 42 by a pump 45 and is also used for heat recovery heat exchange described above via a hot water pipe 43 by a booster pump 46. Connected to the device 33. Reference numeral 50 denotes a controller (control means) for controlling the power generation of the fuel cell 6 and controls the devices in the system such as the pumps and valves.

以上の構成により、制御装置５０が燃料電池システムＳの運転を開始すると、燃料供給源１から燃料ガスが、電磁開閉弁１８を介して昇圧ポンプ１９に入り、当該昇圧ポンプ１９にて昇圧されて、脱硫器２に供給される。ここで燃料ガスから硫黄成分が除去される。この脱硫器２に、例えば活性炭等の吸着反応を利用した触媒を使用した場合、常温で、硫黄成分を除去することができる。この脱硫器２を経た燃料ガスは、ガス管２２を介して改質装置１３の改質器３に供給される。 With the above configuration, when the control device 50 starts operation of the fuel cell system S, fuel gas from the fuel supply source 1 enters the booster pump 19 via the electromagnetic on-off valve 18 and is boosted by the booster pump 19. The desulfurizer 2 is supplied. Here, the sulfur component is removed from the fuel gas. When a catalyst utilizing an adsorption reaction such as activated carbon is used for the desulfurizer 2, the sulfur component can be removed at room temperature. The fuel gas that has passed through the desulfurizer 2 is supplied to the reformer 3 of the reformer 13 via the gas pipe 22.

この改質器３では、水素、二酸化炭素及び一酸化炭素を含む改質ガスが生成される。この改質器３を経たガスは、ＣＯ変成器４に供給され、ここでは改質ガスに含まれる一酸化炭素が二酸化炭素に変性される。このＣＯ変成器４を経たガスは、ＣＯ除去器５に供給され、ここではＣＯ変成器４を経たガス中の未変性の一酸化炭素が除去される。 In the reformer 3, a reformed gas containing hydrogen, carbon dioxide, and carbon monoxide is generated. The gas that has passed through the reformer 3 is supplied to a CO converter 4 where carbon monoxide contained in the reformed gas is denatured into carbon dioxide. The gas that has passed through the CO converter 4 is supplied to a CO remover 5 where unmodified carbon monoxide in the gas that has passed through the CO converter 4 is removed.

このＣＯ除去器５を経た当該一酸化炭素が除去された後の水素が、ガス管２３、水タンク１１及びガス管２４を介して固体高分子形の燃料電池６の燃料極６ａに供給される。他方、空気極６ｂには、空気ポンプ３０から空気が供給された水タンク１２より空気が供給される。これにより、燃料極６ａに供給された水素と、空気極６ｂに供給された空気中に含まれる酸素とが反応し、電力が発生する。 The hydrogen after the carbon monoxide removed through the CO remover 5 is supplied to the fuel electrode 6a of the polymer electrolyte fuel cell 6 through the gas pipe 23, the water tank 11 and the gas pipe 24. . On the other hand, air is supplied to the air electrode 6b from the water tank 12 supplied with air from the air pump 30. As a result, the hydrogen supplied to the fuel electrode 6a reacts with the oxygen contained in the air supplied to the air electrode 6b to generate electric power.

尚、上記改質器３は、内部に図示しないバーナを有し、ここには配管３７を介して、燃料極６ａを経た未反応水素がオフガスとして供給される。このとき、化学反応により生じ、燃料極６ａに一部残存、若しくは、移動した水及び改質装置１３のバーナにおいて生じたドレン水は、ドレン水配管３８により外部に排出される。 The reformer 3 has a burner (not shown) inside, and unreacted hydrogen that has passed through the fuel electrode 6a is supplied as an off gas through a pipe 37. At this time, the water generated by the chemical reaction and partially remaining in the fuel electrode 6a or moved and the drain water generated in the burner of the reformer 13 are discharged to the outside through the drain water pipe 38.

また、空気極６ｂから配管３４に導出された空気は、燃料電池６の発熱反応によって温度上昇しており、この温度上昇した排気空気は、上記貯湯タンク７の水が温水配管４３を介して循環する熱回収用熱交換器３３で熱回収された後、排気ダクト３５を通じて外部に放出される。このとき、熱回収用熱交換器３３での熱交換によって、貯湯タンク７の水が温度上昇する。他方、燃料電池６の化学反応において生じた水は、温度上昇した排気空気中に水蒸気として存在しているため、熱回収用熱交換器３３にて貯湯タンク７の水と熱交換した際に凝縮され、ドレン水としてドレン水配管３６より外部に排出される。 Further, the temperature of the air led out from the air electrode 6 b to the pipe 34 has risen due to the exothermic reaction of the fuel cell 6, and the exhaust air whose temperature has risen circulates through the hot water pipe 43 through the hot water pipe 43. After being recovered by the heat recovery heat exchanger 33, it is discharged to the outside through the exhaust duct 35. At this time, the temperature of the water in the hot water storage tank 7 rises due to the heat exchange in the heat recovery heat exchanger 33. On the other hand, the water generated in the chemical reaction of the fuel cell 6 is present as water vapor in the exhaust air whose temperature has risen. Therefore, the water is condensed when the heat recovery heat exchanger 33 exchanges heat with the water in the hot water storage tank 7. Then, it is discharged as drain water from the drain water pipe 36 to the outside.

そして、この燃料電池６にて水素と空気中の酸素とを化学反応させて発電された電力は、出力線５１を介して昇圧コンバータ１５に送られ、当該昇圧コンバータ１５を経て、インバータに必要な電圧にまで昇圧され、系統連系インバータ１６（昇圧コンバータ１５と系統連系インバータ１６を合わせて電力変換装置２０とする。）に送られ、ここから、単相３線の１００Ｖ／２００Ｖの電源として図２に示す如く連系リレー６６を介し、図示しない家庭に供給される商用電力系統６７に接続される。 Then, the electric power generated by chemically reacting hydrogen and oxygen in the air in the fuel cell 6 is sent to the boost converter 15 via the output line 51, and is necessary for the inverter via the boost converter 15. The voltage is boosted to a voltage and sent to the grid interconnection inverter 16 (the boost converter 15 and the grid interconnection inverter 16 are combined to form a power conversion device 20). From here, as a 100V / 200V power source of single-phase three wires As shown in FIG. 2, it is connected to a commercial power system 67 supplied to a household (not shown) via a connection relay 66.

コントローラ５０は、図２に示す電力需要負荷（家庭内の電気機器）６８に応じて昇圧ポンプ１９や空気ポンプ３０を制御し、所定の制御範囲内で燃料電池６における発電量を制御する。そして、燃料電池６の最大の発電量が電力需要負荷６８に満たない場合には、商用電力系統６７から電力需要負荷６８に電力が供給されることになる。 The controller 50 controls the booster pump 19 and the air pump 30 according to the power demand load (electrical appliance in the home) 68 shown in FIG. 2, and controls the power generation amount in the fuel cell 6 within a predetermined control range. When the maximum power generation amount of the fuel cell 6 is less than the power demand load 68, power is supplied from the commercial power system 67 to the power demand load 68.

上述した改質器３、ＣＯ変成器４、ＣＯ除去器５、燃料電池６では、所定の反応温度を有する化学反応が行われる。改質器３における化学反応は吸熱反応であるので、改質装置１３に設けられた前記バーナによって常時加熱しながら化学反応を行う。 In the reformer 3, the CO converter 4, the CO remover 5, and the fuel cell 6 described above, a chemical reaction having a predetermined reaction temperature is performed. Since the chemical reaction in the reformer 3 is an endothermic reaction, the chemical reaction is performed while always being heated by the burner provided in the reformer 13.

熱により反応温度以上に昇温しないように冷却が行われる。 Cooling is performed so that the temperature does not rise above the reaction temperature due to heat.

燃料電池６では、電気化学反応が行われ、この電気化学反応時の活性化過電圧、濃度過電圧、抵抗過電圧により熱が発生する。このとき、燃料電池６の冷却部６ｃには、図示しないポンプにより、水タンク１１の水が供給され、当該冷却部６ｃを経た水は、配管２６を介して熱回収用熱交換器２７を通過し、再び水タンク１１に帰還する。尚、熱回収用熱交換器２７には、上記貯湯タンク７の水が温水配管４２を介して循環するため、貯湯タンク７の水が温度上昇し、水タンク１１の水の温度が低下する。 In the fuel cell 6, an electrochemical reaction is performed, and heat is generated by the activation overvoltage, concentration overvoltage, and resistance overvoltage during the electrochemical reaction. At this time, water in the water tank 11 is supplied to the cooling unit 6c of the fuel cell 6 by a pump (not shown), and the water passing through the cooling unit 6c passes through the heat recovery heat exchanger 27 via the pipe 26. Then, it returns to the water tank 11 again. In the heat recovery heat exchanger 27, the water in the hot water storage tank 7 circulates through the hot water pipe 42, so that the temperature of the hot water storage tank 7 rises and the temperature of the water in the water tank 11 falls.

これにより、水タンク１１の水が冷却部６ｃを循環することにより、燃料電池６が冷却される。また、貯湯タンク７の水は発電の際に生じる熱を利用して温度上昇させることができるため、この熱を利用して市水から温水を生成し、この温水は、家庭において図示しない風呂やキッチンなどに供給することができる。 Thereby, the water of the water tank 11 circulates through the cooling unit 6c, whereby the fuel cell 6 is cooled. Moreover, since the temperature of the water in the hot water storage tank 7 can be raised by using heat generated during power generation, hot water is generated from city water by using this heat. Can be supplied to kitchens.

上記改質器３の排気系には、図示しない熱交換器が接続され、水タンク２１の水がポンプ４０を介して供給されると、当該熱交換器で水蒸気化し、この水蒸気が、原燃料と混合して改質器３に供給される。 A heat exchanger (not shown) is connected to the exhaust system of the reformer 3, and when water in the water tank 21 is supplied via the pump 40, the heat exchanger vaporizes, and the water vapor is converted into raw fuel. And supplied to the reformer 3.

以上の構成により、燃料電池システムＳが、コージェネレーションシステムの形態をとるので、エネルギーの有効活用が図られる。したがって、高い総合熱効率が得られるので、原燃料の消費量が減少し、二酸化炭素の排出量が低減される。 With the above configuration, the fuel cell system S takes the form of a cogeneration system, so that energy can be effectively used. Accordingly, high overall thermal efficiency can be obtained, so that the amount of raw fuel consumed is reduced and the amount of carbon dioxide emitted is reduced.

次に、図２を用いて燃料電池システムＳに設けられた内部負荷について説明する。この内部負荷は燃料電池６で発電された余剰電力を消費するために用いられるものであり、実施例では貯湯タンク７内、若しくは、熱回収用熱交換器２７と貯湯タンク７間の温水配管４２（熱回収水経路）と交熱的に設けられた電気ヒータ５３である。 Next, the internal load provided in the fuel cell system S will be described with reference to FIG. This internal load is used to consume surplus power generated by the fuel cell 6. In the embodiment, the hot water pipe 42 in the hot water storage tank 7 or between the heat recovery heat exchanger 27 and the hot water storage tank 7 is used. This is an electric heater 53 provided in heat exchange with the (heat recovery water path).

この電気ヒータ５３（内部負荷）は、燃料電池６の出力線５１にヒータ制御回路（制御装置）５４を介して接続されている。このヒータ制御回路５４には出力線５１及び商用電力系統６７の配電線５６に設けられた電流センサ５７、５８の出力が入力されている。尚、各電流センサ５７、５８の出力は前記コントローラ５０にも入力され、燃料電池６の発電制御に供される。 The electric heater 53 (internal load) is connected to the output line 51 of the fuel cell 6 via a heater control circuit (control device) 54. The output of current sensors 57 and 58 provided in the output line 51 and the distribution line 56 of the commercial power system 67 is input to the heater control circuit 54. The outputs of the current sensors 57 and 58 are also input to the controller 50 for use in power generation control of the fuel cell 6.

ここで、コントローラ５０は前述した如く電力需要負荷６８に応じて燃料電池６における発電量を制御するものであるが、実施例の如く家庭用で使用された場合には、家人が在宅中か否か、或いは、活動中か就寝中か否かなどによって電力需要（電力消費量）は大きく変動する。上述した如く燃料電池６の発電量より負荷６８が大きくなった時点で商用電力系統６７からその分が補われるが、負荷６８が燃料電池６の発電量よりも小さくなり、余剰電力が生じると、燃料電池６で発電された電力が商用電力系統６７に流れ込む逆潮流現象が発生する。 Here, the controller 50 controls the amount of power generation in the fuel cell 6 in accordance with the power demand load 68 as described above. When the controller 50 is used for home use as in the embodiment, whether or not the householder is at home. Alternatively, the power demand (power consumption) varies greatly depending on whether it is active or sleeping. As described above, when the load 68 becomes larger than the power generation amount of the fuel cell 6, the amount is supplemented from the commercial power system 67. However, when the load 68 becomes smaller than the power generation amount of the fuel cell 6 and surplus power is generated, A reverse power flow phenomenon occurs in which the power generated by the fuel cell 6 flows into the commercial power system 67.

一方、発電は水素と酸素の化学反応によって生じるため、コントローラ５０による発電量の調整は負荷６８の変動に対してどうしても遅れが生じる。そのため、このままでは余剰電力が商用電力系統６７に逆潮流してしまうことになる。他方、急激にガス供給量などを変更すると、前述したオフガス量の増大などによりシステム内の熱バランスが崩れて運転を継続できなくなる。 On the other hand, since power generation is caused by a chemical reaction between hydrogen and oxygen, adjustment of the power generation amount by the controller 50 inevitably delays with respect to fluctuations in the load 68. For this reason, the surplus power flows backward to the commercial power system 67 in this state. On the other hand, if the gas supply amount is changed abruptly, the heat balance in the system is lost due to the increase in the amount of off-gas mentioned above, and the operation cannot be continued.

また、電力需要負荷６８が減少して燃料電池６の発電制御範囲よりも小さくなった場合にも余剰負荷が発生し、逆潮流が生じる。係る場合には燃料電池６における発電を停止することも考えられるが、一旦燃料電池６の発電を停止した後、再起動するには時間がかかるため、停止させたくないと云う要求もある。 Further, when the power demand load 68 decreases and becomes smaller than the power generation control range of the fuel cell 6, an excessive load is generated and a reverse power flow occurs. In such a case, it is conceivable to stop the power generation in the fuel cell 6. However, since it takes time to restart after the power generation of the fuel cell 6 is once stopped, there is also a request that it is not desired to stop the power generation.

これらを解消するため、ヒータ制御回路５４は各電流センサ５７、５８が検出する出力線５１を流れる電流及び配電線５６を流れる電流に基づき、逆潮流が発生する場合、電気ヒータ５３に出力線５１から電流を流して発熱させ、係る余剰電力を消費してしまう。これにより、逆潮流を防止し、且つ、燃料電池６を停止させること無く、低負荷に対処できることになる。 In order to eliminate these problems, the heater control circuit 54 outputs the output line 51 to the electric heater 53 when a reverse power flow occurs based on the current flowing through the output line 51 detected by the current sensors 57 and 58 and the current flowing through the distribution line 56. Current is caused to flow and heat is generated, and such surplus power is consumed. As a result, reverse power flow can be prevented and the low load can be dealt with without stopping the fuel cell 6.

この場合、逆潮流の防止と低負荷時の対処を同一の電気ヒータ５３（内部負荷）にて実現できるので、生産コストの削減も図ることができる。尚、この電気ヒータ５３への通電量はスイッチング素子を用いてヒータ制御回路５４が調整し、余剰電力量に応じて的確な値に制御される。そして、この電気ヒータ５３の発熱はまた貯湯タンク７内や温水配管４２を流れる温水を加熱するので、無駄にならず、有効に回収できる。 In this case, since the prevention of reverse power flow and the countermeasure at the time of low load can be realized by the same electric heater 53 (internal load), the production cost can be reduced. The energization amount to the electric heater 53 is adjusted by the heater control circuit 54 using a switching element, and is controlled to an accurate value according to the surplus power amount. The heat generated by the electric heater 53 also heats the hot water flowing in the hot water storage tank 7 and the hot water pipe 42, so that it can be recovered effectively without being wasted.

尚、実施例では燃料電池６の出力線５１にヒータ制御回路５４を介して電気ヒータ５３を接続したが、それに限らず、電力変換装置２０内に内蔵し、昇圧コンバータ１５を系統連系インバータ１６の間に接続してもよい（図２中※１）。係る場合には、電力変換装置２０と電気ヒータ５３、ヒータ制御回路５４を一体化できるので生産性が向上する。また、電気ヒータ５３を電力変換装置２０の後段に接続してもよい（図２中※２）。 In the embodiment, the electric heater 53 is connected to the output line 51 of the fuel cell 6 via the heater control circuit 54. However, the electric heater 53 is not limited to this, and the boost converter 15 is built in the power interconnection inverter 16 without being limited thereto. (* 1 in Fig. 2). In such a case, since the power conversion device 20, the electric heater 53, and the heater control circuit 54 can be integrated, productivity is improved. Moreover, you may connect the electric heater 53 to the back | latter stage of the power converter device 20 (* 2 in FIG. 2).

Ｓ燃料電池システム
６燃料電池
７貯湯タンク
１３改質装置
１５昇圧コンバータ
１６系統連系インバータ
２０電力変換装置
４２温水配管
５０コントローラ
５３電気ヒータ（内部負荷）
５４ヒータ制御回路（制御装置）
６７商用電力系統
６８電力需要負荷 DESCRIPTION OF SYMBOLS S Fuel cell system 6 Fuel cell 7 Hot water storage tank 13 Reformer 15 Boost converter 16 Grid connection inverter 20 Power converter 42 Hot water piping 50 Controller 53 Electric heater (internal load)
54 Heater control circuit (control device)
67 Commercial power system 68 Power demand load

Claims

燃料電池と、
前記燃料電池の出力を調整する電力変換装置と、
前記燃料電池と前記電力変換装置とを電気的に接続する出力線と、
前記出力線に対して電気的に接続され、前記燃料電池で発生する余剰電力を消費する内部負荷と、
前記出力線と前記内部負荷との間に介在し、前記内部負荷への通電を制御する通電制御装置と、
前記燃料電池における発電量を制御する発電量制御手段と、
前記燃料電池から前記電力変換装置に流れる電流を検出する第１の電流センサと、
前記電力変換装置から商用電力系統に流れる電流を検出する第２の電流センサと、
を備え、
前記通電制御装置は、前記第１の電流センサの出力および前記第２の電流センサの出力に基づいて、前記内部負荷への通電を制御することを特徴とする、燃料電池システム。 A fuel cell;
A power converter for adjusting the output of the fuel cell;
An output line for electrically connecting the fuel cell and the power converter;
An internal load that is electrically connected to the output line and consumes surplus power generated in the fuel cell;
An energization control device that is interposed between the output line and the internal load and controls energization of the internal load;
A power generation amount control means for controlling a power generation amount in the fuel cell;
A first current sensor for detecting a current flowing from the fuel cell to the power converter;
A second current sensor for detecting a current flowing from the power converter to the commercial power system;
With
The energization control device controls energization to the internal load based on the output of the first current sensor and the output of the second current sensor .

前記燃料電池で発生した熱を回収する熱回収経路を更に備え、
前記内部負荷は、前記熱回収経路を加熱する電気ヒータである、請求項１に記載の燃料電池システム。 A heat recovery path for recovering heat generated in the fuel cell;
The fuel cell system according to claim 1, wherein the internal load is an electric heater that heats the heat recovery path.

水が貯えられるタンクを更に備え、
前記内部負荷は、前記タンクを加熱する電気ヒータである、請求項１または２に記載の燃料電池システム。 A tank for storing water;
The fuel cell system according to claim 1, wherein the internal load is an electric heater that heats the tank.

前記内部負荷は前記電力変換装置内に位置している、請求項１から３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。 The fuel cell system according to any one of claims 1 to 3, wherein the internal load is located in the power converter.

前記通電制御装置は、前記余剰電力に応じて前記内部負荷への通電量を制御する、請求項１から４のいずれか１項に記載の燃料電池システム。 The fuel cell system according to any one of claims 1 to 4, wherein the energization control device controls an energization amount to the internal load in accordance with the surplus power.

前記発電量制御手段は、電力需要負荷に応じて前記燃料電池における発電量を制御する、請求項１から５のいずれか１項に記載の燃料電池システム。 The fuel cell system according to any one of claims 1 to 5, wherein the power generation amount control means controls a power generation amount in the fuel cell in accordance with a power demand load.