JP5372313B2 - 燃料電池装置を有する電源システム - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池を有する電源システムに関し、特に、系統電源に連系して使用される電源システムに関する。

近年、電力消費家（需要家）の場所において、分散電源装置として燃料電池を配備し、燃料電池からの電力と電気事業者の系統電源（商用電源）からの電力とを組み合わせてその電力消費家における電力消費を賄うようにした分散型の電源システムが注目を集めている。

燃料電池は直流電力を発生するが、電力消費家の宅内においては系統電源からの交流電力に重畳して負荷に配電する必要があるから、分散電源である燃料電池を系統電源に連系させる必要がある。燃料電池を系統電源に連系させるために、燃料電池が出力する直流電力を交流電力に変換し、その周波数や電圧を系統電源からの電力に適合させるパワーコンディショナが用いられる。

図３は、燃料電池による分散電源を系統電源に連系させて使用するための電源システムの構成を示すブロック図である。

燃料電池を含み交流電力を出力する燃料電池装置８１が設けられており、燃料電池装置８１の出力は分電盤８２に接続している。分電盤８２は、逆潮流防止装置１５を介して系統電源にも接続し、系統電源からの交流電力と燃料電池装置８１の交流電力を同一の配電線を介して負荷に供給する。

燃料電池装置８１は、炭化水素からなる燃料、例えば灯油やＬＰＧ（液化石油ガス）などの燃料を改質して水素を生成する改質器９１と、この水素と酸素（空気）とが供給されて発電する燃料電池本体９２と、燃料電池本体９２で発電された直流電力を交流電力に変換して出力するパワーコンディショナ９３とを備えている。燃料電池本体９２は、典型的な燃料電池として、水素及び酸素がそれぞれ供給される負極及び正極と、負極及び正極間に配置され水素イオンが透過可能な電解質膜とを備えている。パワーコンディショナ９３は、分電盤８２を介して入力する系統電源側の交流電力に連系するように、燃料電池本体９２からの直流電力を交流電力に変換する。また、改質器９１や燃料電池本体９２を動作させるためにはヒータによってこれらを所定の温度範囲にまで昇温する必要があり、また、改質器９１に燃料を供給するためにはポンプを動作させる必要がある。このように燃料電池装置８１の運転のためには、ヒータやポンプなどの各種の補機類を動作させる必要があり、ヒータやポンプなどを動作させるための電力は、パワーコンディショナ９３から改質器９１や燃料電池本体９２に与えられるようになっている。燃料電池装置８１が定常運転状態に入ってしまえば、ヒータやポンプのための電力としては、燃料電池本体９２が発電した電力の一部が使用される。しかしながら、燃料電池装置８１自体の始動（立ち上げ）時には、燃料電池本体９２はまだ発電を開始していないので、系統電源から分電盤８２を介してパワーコンディショナ９３に入力する交流電力からヒータやポンプを動作させるための電力を得るようにしている。

ところで系統電源に分散電源を連系させる場合、その分散電源を系統電源からの配電線に接続することになる。そのため分散電源には、電力系統に対して悪影響を及ぼさないことが求められる。特に、分散電源によって発生する電力がその設置場所での電力消費を上回り、系統電力に対して逆潮流が起きる設置状況では、特に厳しい管理が必要とされる。燃料電池を用いた分散電源の場合、逆潮流の発生は禁止されている。そこで、図３に示す電源システムにおいては、系統電源と分電盤８２との間に挿入された逆潮流防止装置１５によって、系統電源側に向かっては電力が送出されないようにしている。

燃料電池は、気象条件等によらずに燃料があり続ける限り動作するものであるから、災害時などの非常用電源として有望なものである。しかしながら、分散電源として燃料電池を備え、系統電源と連系させた電源システムは、燃料電池の動作に必要なヒータやポンプを駆動するために、燃料電池の始動時においては系統電源からの電力の供給を必要とする。したがって、災害時など系統電源が停電となっている場合には、このような電源システムを始動させることができないことになる。いいかえれば、系統電源と連系した燃料電池を有する電源システムは、非常用電源装置としては使用できないことになる。

そこで本発明の目的は、燃料電池を有するとともに系統電源に連系する電源システムであって、系統電源が停電しているような場合であっても燃料電池を始動できて自立運転させることが可能な電源システムを提供することにある。

本発明の電源システムは、燃料電池本体と、燃料電池本体で発電された直流電力を交流電力に変換するとともに始動用電力が外部から供給される第１の接続端子を備えるパワーコンディショナとを有し、系統電源に連系する燃料電池装置を有する電源システムであって、燃料電池装置と系統電源との間に設けられ、系統電源の停電時に燃料電池装置を系統電源から切り離す機能を有する逆潮流防止装置と、太陽電池と太陽電池からの直流電力を直接出力するための第２の接続端子とを有し、系統電源に連系する太陽光発電装置と、を有し、系統電源の停電時において、太陽光発電装置を系統電源から解列するとともに、取外し可能な配線により第２の接続端子を第１の接続端子に接続することによって太陽光発電装置からの直流電力を始動用電力として燃料電池装置に供給し、燃料電池装置を始動させて自立運転状態とすることを特徴とする。

この電源システムにおいて、燃料電池装置は、例えば、炭化水素を燃料とする燃料電池を有する。太陽光発電装置の定格出力は、燃料電池装置の定格出力１ｋＷあたり、１ｋＷ以上１０ｋＷ未満とすることが好ましい。

この電源システムにおいても燃料電池装置は、例えば、炭化水素を燃料とする燃料電池を有する。蓄電装置の定格容量は、燃料電池の定格出力１ｋＷあたり、前記１００Ｗ・ｈ以上３００Ｗ・ｈ未満とすることが好ましい。

本発明においては、燃料電池装置の起動後、燃料電池装置が定常運転状態になった場合には、始動用電力の燃料電池装置への供給を停止することが好ましい。本発明において用いられる、炭化水素を燃料とする燃料電池は、例えば、燃料として、灯油、ＬＰＧ（液化石油ガス）、天然ガス、メタンなどを用いるものである。炭化水素を燃料とする燃料電池では、一般に、燃料を改質するための改質器が設けられることとなるので、起動用電力は、例えば、少なくとも、改質器を所定の温度まで上昇させ、燃料電池装置の電極部及び電解質膜を所定の温度まで上昇させるために使用される。

本発明では、燃料電池装置を始動するために用いられる始動用電力として、太陽光発電装置から出力される電力あるいは蓄電装置から出力される電力を使用できるようにしているので、燃料電池を有するとともに系統電源に連系する電源システムにおいて系統電源が途絶しているような場合であっても燃料電池装置を始動でき、この燃料電池装置からの発電した電力を負荷に供給できるようになる。したがって、本発明の電源システムは、平常時には系統電源に連系するとともに、災害などの非常時においては、非常用電源として自立運転が可能であり、平常時及び非常時の両方において有用である。

次に、本発明の好ましい実施の形態について、図面を参照して説明する。

図１は本発明の実施の一形態の電源システムを示している。この電源システムは、系統電源に連系するものであって、分散電源として、交流電力を出力する燃料電池装置１１と、交流電力を出力する太陽光発電装置１２とを備えている。

燃料電池装置１１の出力は分電盤１４に接続し、太陽光発電装置１２の出力は分電盤１６に接続する。分電盤１４は、逆潮流防止装置１５を介して分電盤１６に接続するとともに、負荷に対して電力を供給するための配電線にも接続している。分電盤１６は、さらに系統電源にも接続している。逆潮流防止装置１５は、燃料電池装置１１で発電した電力が系統電源側に供給されることを防ぐとともに、特に、系統電源の停電時には、分電盤１６と分電盤１４とを電気的に切り離す機能を備えている。この電源システムでは、系統電源からの交流電力と燃料電池装置１１からの交流電力と太陽光発電装置１２からの交流電力とが、分電盤１４を介して、同一の配電線を介して負荷に供給される。

燃料電池装置１１は、燃料を改質して水素を生成する改質器２１と、この水素と酸素（空気）とが供給されて発電する燃料電池本体２２と、燃料電池本体９２で発電された直流電力を交流電力に変換して出力するパワーコンディショナ２３とを備えている。燃料としては、灯油またはＬＰＧ（液化石油ガス）または天然ガスが用いられ、したがってこの燃料電池装置１１は、炭化水素を燃料とする燃料電池を有することになる。パワーコンディショナ２３としては、図３に示した従来の電源システムにおいて用いられるパワーコンディショナ９３と同様のものが使用されるが、図１に示すシステムにおけるパワーコンディショナ２３は、燃料電池装置の始動のための電力すなわち始動用電力を外部から供給するための接続端子２４を備えている点で、図３に示したものと相違している。すなわちパワーコンディショナ２３は、系統連系をする必要もあるので、平常時においては、始動用電力を分電盤１４を介して供給されるようになっているが、系統電源が停止した場合には、燃料電池装置２１の自立運転を可能にするために、系統電源とは別の電源から接続端子２４を介して始動用電力を供給されることができるようになっている。接続端子２４に供給される始動用電力は例えば直流電力である。

改質器２１及び燃料電池本体２２としては、図３に示した従来のシステムにおける改質器９１及び燃料電池本体９２と同様のものが使用される。

太陽光発電装置１２は、太陽電池３１と、太陽電池３１で発生した直流電力を交流電力に変換するとともに、太陽光発電装置１２を系統電源に連系させるパワーコンディショナ３２を備えている。太陽光発電装置１２を系統電源に連系させて使用する場合には、逆潮流が許されているので、太陽光発電装置１２と系統電源との間には逆潮流防止装置は設けられていない。しかしながら、系統電源側の停電時には逆潮流によって太陽光発電装置１２から系統電源側に電力が供給されてはならないので、パワーコンディショナ３２は、系統電源の停止（停電）を検出して停電時には太陽光発電装置１２を系統電源から解列する機能を備えている。具体的には、パワーコンディショナ３２は、太陽電池３１から直流電力を交流電力に変換するインバータ回路を備えているが、系列電源の停電時にはこのインバータ回路の動作を停止させるように構成されている。インバータ回路が停止したとしても太陽電池３１は光が当たっている限り発電可能であるので、このパワーコンディショナ３２は、太陽電池３１からの直流電力を直接出力するための接続端子３３を備えている。燃料電池装置１１側の接続端子２４と、太陽光発電装置１２側の接続端子３３とは、非常用配線１３によって取外し可能に接続できるようになっている。平常時にはこれらの接続端子２４，３３間は接続されない。

次に、この電源システムの動作を説明する。

系統電源が正常に機能している場合には、系統電源からの交流電力と燃料電池装置１１からの交流電力と太陽光発電装置１２からの交流電力とが、分電盤１４を介して負荷に供給される。もし、燃料電池装置１１を始動する必要があるとしても、始動用の電力は、系統電源からパワーコンディショナ２３に供給される。

系統電源が停止すなわち停電したとする。このとき、太陽光発電装置１２は系統電源から解列され、また、逆潮流防止装置１５によって、分電盤１４と分電盤１６とが電気的に切り離される。この状態で燃料電池装置１１を起動するためには、太陽光発電装置１２のパワーコンディショナ３２の接続端子３３と燃料電池装置１１のパワーコンディショナ２３の接続端子２４との間を非常用配線１３で接続し、太陽電池３１で発電した直流電力を燃料電池装置１１のパワーコンディショナ２３に供給すればよい。その結果、パワーコンディショナ２３から改質器２１及び燃料電池本体２２に対して、ヒータやポンプなどを駆動するための電力が供給され、燃料電池装置１１を始動させることができる。燃料電池装置１１が始動し、定常運転状態に達すれば、非常用配線１３を取外し、燃料電池本体２２で発電した電力の一部でもってヒータやポンプを動作させるようにすればよい。このようにして、本実施形態では、系統電源が停止している場合であっても燃料電池装置１１を始動させて自立運転状態とすることができ、燃料電池装置１１で発生した交流電力を、分電盤１４を介して負荷に供給することができる。

本実施形態では、燃料電池装置１１を確実に始動できるようにするため、太陽光発電装置１２の定格出力は、燃料電池装置１１の定格出力１ｋＷあたり、１ｋＷ以上１０ｋＷ未満とすることが好ましい。

次に、本発明の別の実施形態について電源システムについて、図２を用いて説明する。

図２に示した電源システムは、図１に示した電源システムから、太陽光発電装置１２及び分電盤１６を取り除き、逆潮流防止装置１５が系統電源に直接接続するようにしたものである。太陽光発電装置１２を取り除いたことにより、系統電源の停電時には燃料電池装置１１の始動用電力が得られないこととなるが、図２に示した電源システムでは、非常用配線１３を介して蓄電装置１７をパワーコンディショナ２３に接続し、蓄電装置１７に貯えれている直流電力をパワーコンディショナ２３に供給することによって、系統電源の停電時にも燃料電池装置１１を始動できるようにしている。燃料電池装置１１が始動し、定常運転状態に達した後は、蓄電装置１７は取外され、あるいは、蓄電装置１７からの電力供給は遮断される。太陽光発電装置からの交流電力が負荷に流れないことと、蓄電装置１７から始動用電力が供給されることを除けば、この電源システムの動作は、図１に示した電源システムの動作と同様である。

蓄電装置１７としては、燃料電池装置１１の定格出力１ｋＷあたり、１００Ｗ・ｈ以上３００Ｗ・ｈ未満の容量を有するものが好ましく使用される。蓄電装置１７は、系統電源の停電に備えるために、系統電源が正常に機能しているときに、予め、充電されている。蓄電装置１７は、例えば、鉛蓄電池、ニッケル−水素化金属電池、リチウムイオン電池などの二次電池によって構成される。

本発明の実施の一形態の電源システムの構成を示すブロック図である。 本発明の別の実施の形態の電源システムの構成を示すブロック図である。 従来の電源システムの構成を示すブロック図である。

符号の説明

１１，８１ 燃料電池装置
１２ 太陽光発電装置
１３ 非常用配線
１４，１６，８２ 分電盤
１５，８３ 逆潮流防止装置
１７ 蓄電装置
２１，９１ 改質器
１１，９２ 燃料電池本体
２３，３２，９３ パワーコンディショナ
２４，３３ 接続端子
３１ 太陽電池

Claims (5)

1. 燃料電池本体と、該燃料電池本体で発電された直流電力を交流電力に変換するとともに始動用電力が外部から供給される第１の接続端子を備えるパワーコンディショナとを有し、系統電源に連系する燃料電池装置を有する電源システムであって、
   前記燃料電池装置と前記系統電源との間に設けられ、前記系統電源の停電時に前記燃料電池装置を前記系統電源から切り離す機能を有する逆潮流防止装置と、
   太陽電池と該太陽電池からの直流電力を直接出力するための第２の接続端子とを有し、前記系統電源に連系する太陽光発電装置と、
   を有し、
   前記系統電源の停電時において、前記太陽光発電装置を前記系統電源から解列するとともに、取外し可能な配線により前記第２の接続端子を前記第１の接続端子に接続することによって前記太陽光発電装置からの直流電力を前記始動用電力として前記燃料電池装置に供給し、前記燃料電池装置を始動させて自立運転状態とすることを特徴とする、電源システム。
2. 前記燃料電池装置は、炭化水素を燃料とする燃料電池を有する、請求項１に記載の電源システム。
3. 前記燃料電池装置の定格出力１ｋＷあたり、前記太陽光発電装置の定格出力が１ｋＷ以上１０ｋＷ未満である、請求項２に記載の電源システム。
4. 前記燃料電池装置の起動後、前記燃料電池装置が定常運転状態になった場合には、前記始動用電力の前記燃料電池装置への供給が停止される、請求項１に記載の電源システム。
5. 前記燃料電池装置が改質器を備え、前記始動用電力は、少なくとも、前記改質器を所定の温度まで上昇させ、前記燃料電池装置の電極部及び電解質膜を所定の温度まで上昇させるために使用される、請求項２に記載の電源システム。

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