JP2011181377A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】自然エネルギー発電装置に接続された燃料電池システムにおいて、燃料電池発電装置の発電効率の低下および発電電力の商用電力系統への逆潮流を抑制しつつ、自然エネルギーを用いた発電装置の発電電力をより高い割合で商用電力系統へ供給させる。
【解決手段】燃料電池システムは、系統連結部２０と負荷接続部２１との間に設けられた半導体スイッチ３０と、系統連結部２０と負荷接続部２１との間の電力の供給方向を検出する電力検出器７と、を備える。電力検出器７が逆潮流を検出したら、制御器６０は開閉指令信号６５を伝達して半導体スイッチ３０を開かせる。系統連系運転中には、定格出力までインバータ６２の発電出力を増加させるように制御してもよい。さらに、商用電力系統１の電圧を測定する系統電圧計測器１０を設けて、インバータ６２の電圧が商用電力系統１と同位相となるように制御してもよい。
【選択図】図１

Description

本発明は、自然エネルギー発電装置および商用電力系統に接続された燃料電池システムに関する。

近年の、省エネルギー、ＣＯ_２排出量削減への関心の高まりから、高効率な発電システムである燃料電池等の新エネルギー発電装置や、ガスエンジンコージェネレーションシステム等が商用化され、普及の段階を迎えている。一方で、化石燃料を使用しないで発電が可能な、太陽光や風力などの自然エネルギーを用いた発電システムの普及も進み、一戸の家庭において、燃料電池発電装置と太陽光発電装置を両方設置する事例も多くなっている。補助金制度の拡充により、このようなケースは今後も増加していくと考えられる。

現在、太陽光や風力などの自然エネルギーを用いた発電装置で発電された電力は、比較的高い価格で電力会社へ売電することが可能となっており、今後、買い取り価格の政策的な上昇も計画されている。一方、燃料電池などの化石燃料を用いた発電装置の発電電力については、電力会社によっては逆潮流が許されていない。燃料電池などの化石燃料を用いた発電装置の発電電力の逆潮流が許可されている場合でも、電力会社の買い取り価格が原燃料価格より低いため売電してもコストメリットが無く、実質的には系統への逆潮流が発生しないような運転を行っている。

そのため、昼間や風の強い時など、自然エネルギーを用いた発電システムの発電電力が多い時は、燃料電池などの自然エネルギー以外の発電システムの発電出力を低下させる必要が生じ、発電効率の低い状態で運転することになる。また、自然エネルギーを用いた発電システムの発電状況によっては、家庭内で消費する電力以上の電力が発電されるので、その場合は、燃料電池などの自然エネルギー以外の発電システムを停止させる必要がある。そのため、頻繁な起動停止が発生することとなり、機器寿命の低下や省エネルギー性の悪化などの影響を与える。

そこで、燃料電池などの自然エネルギー以外の発電装置の逆潮流検出器を設置し、逆潮流が発生した場合は、ダミー負荷を投入することにより逆潮流状態を回避し、運転を継続する逆潮流防止システムがある（たとえば特許文献１参照）。また、発電装置の逆潮流を防止するために、ダミー負荷の投入量をサイリスタ制御したもの（たとえば特許文献２参照）や、燃料電池システム内に電気ヒータにより逆潮流電力を消費して、エネルギーを熱として回収するシステム（たとえば特許文献３参照）がある。

特開２００６−２９６０９７号公報 特開２００１−１６７８３号公報 特開２００４−９５３６０号公報

燃料電池発電装置と太陽光や風力などの自然エネルギーを用いた発電装置とを用いたシステムで、燃料電池発電装置で発生した電力を逆潮流させないために、余剰電力をダミー負荷やヒータで消費すると、無駄にエネルギーを消費することとなり、エネルギー効率が低下する。この状態は、たとえ特許文献１や特許文献２に記載された方法で発電装置の発電出力を低減させたとしても、逆潮流状態が完全になくなるまでは継続する。特に、急激な出力変化が困難な燃料電池発電装置では、出力変化が完了するまでの時間が長くなり、ダミー負荷での無駄な電力消費の継続時間も長くなってしまう。

そこで、本発明は、商用電力系統とこの商用電力系統への逆潮流が許される自然エネルギーを用いた発電装置とに接続された燃料電池システムにおいて、燃料電池発電装置の発電効率の低下および発電電力の商用電力系統への逆潮流を抑制しつつ、自然エネルギーを用いた発電装置の発電電力をより高い割合で商用電力系統へ供給させることを目的とする。

上述の目的を達成するため、本発明は、自然エネルギー発電装置および商用電力系統に系統連結部で接続され、負荷接続部に接続された外部負荷に電力を供給する燃料電池システムにおいて、前記商用電力系統の電圧を測定する系統電圧計測器と、前記系統連結部と前記負荷接続部との間に設けられた半導体スイッチと、前記系統連結部と前記負荷接続部との間の電力の供給方向を検出する電力検出器と、燃料電池と、前記負荷接続部と前記燃料電池との間に設けられて前記燃料電池が出力する直流電力を交流電力に変換するインバータと、前記電力検出器が前記負荷接続部から前記系統連結部への電力の供給を検出したら前記半導体スイッチを開の状態にさせる制御手段と、を有することを特徴とする。

本発明によれば、商用電力系統とこの商用電力系統への逆潮流が許される自然エネルギーを用いた発電装置とに接続された燃料電池システムにおいて、燃料電池発電装置の発電効率の低下および発電電力の商用電力系統への逆潮流を抑制しつつ、自然エネルギーを用いた発電装置の発電電力をより高い割合で商用電力系統へ供給させることができる。

本発明に係る燃料電池システムの第１の実施の形態におけるブロック図である。 本発明に係る燃料電池システムの第１の実施の形態における制御器のブロック図である。 本発明に係る燃料電池システムの第１の実施の形態の動作のフローチャートである。 本発明に係る燃料電池システムの第１の実施の形態における系統連系運転時の電力供給分担の例を示すグラフである。 本発明に係る燃料電池システムの第１の実施の形態における自立運転時の電力供給分担を示すグラフである。 本発明に係る燃料電池システムの第１の実施の形態における自立運転から系統連系運転への切替時の電力供給分担を示すグラフである。 本発明に係る燃料電池システムの第２の実施の形態におけるブロック図である。 本発明に係る燃料電池システムの第２の実施の形態における制御器のブロック図である。

本発明に係る燃料電池システムの実施の形態を、図面を参照して説明する。なお、同一または類似の構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

［第１の実施の形態］
図１は、本発明に係る燃料電池システムの第１の実施の形態におけるブロック図である。

本実施の形態の燃料電池システムは、商用電力系統１に系統連結部２０で電気的に接続されている。商用電力系統１は、交流電力を供給する系統である。また、系統連結部２０には、自然エネルギー発電装置９が自然エネルギー発電装置連系用ブレーカー８を介して電気的に接続されている。自然エネルギー発電装置９とは、たとえば太陽光発電装置や、風力発電装置であり、発電した電力の商用電力系統１への逆潮流が許されている発電装置である。自然エネルギー発電装置９は、商用電力系統１と同位相の交流電力を発生する。

この燃料電池システムには、負荷接続部２１が設けられている。この負荷接続部２１から家庭内などに設けられた外部負荷４に電力を供給する。

燃料電池システムは、燃料電池発電装置６と、半導体スイッチ３０と、電力検出器７とを有している。燃料電池発電装置６は、燃料電池６６とインバータ６２と制御器６０とを備えている。インバータ６２は、直流電力を交流電力に変換する。

燃料電池発電装置６のインバータ６２の交流側は、燃料電池発電装置連系用ブレーカー５を介して負荷接続部２１に電気的に接続されている。また、負荷接続部２１は、半導体スイッチ３０および電力検出器７を介して系統連結部２０に電気的に接続されている。半導体スイッチ３０は、電力検出器７に対して負荷接続部２１側に設けられている。電力検出器７は、電力が供給される方向、すなわち、燃料電池システム側に系統連結部２０から電力が供給されているか、燃料電池システム側から系統連結部２０に電力が供給されているか否かを検出する。つまり、商用電力系統１または自然エネルギー発電装置９から電力の供給を受けているか、商用電力系統１側に逆潮流が発生しているか否かを検出する。電力検出器７の検出信号７１は、制御器６０に伝達される。

燃料電池発電装置６の燃料電池６６は、インバータ６２の直流側に接続されている。また、電圧変換器３２を介して蓄電池３１が、燃料電池６６と並列に、インバータ６２に接続されている。電圧変換器３２は、電圧の変換によって、蓄電池３１への充放電を制御する。

電力検出器７と系統連結部２０との間には、系統電圧計測器１０が設けられている。系統電圧計測器１０は、系統連結部２０での電圧、すなわち、商用電力系統１および自然エネルギー発電装置９から供給される交流電力の電圧を測定する。系統電圧計測器１０が測定した電圧を示す検出信号１１は、制御器６０に伝達される。

インバータ６２と燃料電池発電装置連系用ブレーカー５との間、すなわち、インバータ６２の交流側にはインバータ電圧計測器６３が設けられている。インバータ電圧計測器６３は、燃料電池６６あるいは蓄電池３１からの直流電力をインバータ６２が変換した交流電力の電圧を測定する。インバータ電圧計測器６３が測定した電圧を示す検出信号６４は、制御器６０に伝達される。

制御器６０は、系統電圧計測器１０から伝達される検出信号１１、インバータ電圧計測器６４から伝達される検出信号６４および電力検出器７から伝達される検出信号７１などに基づいて、半導体スイッチ３０およびインバータ６２などを制御する。制御器６０は、半導体スイッチ３０に開閉指令信号６５を伝達する。また、制御器６０は、インバータ６２にインバータ制御信号６１を伝達する。

図２は、本実施の形態における制御器のブロック図である。

制御器６０は、インバータ制御部５１と燃料処理などのプロセス制御部５２とからなる。なお、インバータ制御部５１と、プロセス制御部５２は、ハードウェア的に一体である必要は無く、個別のハードウェアを通信で結ぶ形態であってもよい。さらに、インバータ制御部５１の全体もハードウェア的に一体である必要はなく、分散して配置されていてもよい。

インバータ制御部５１は、系統電圧入力部５３と、インバータ電圧入力部５４と、受電電力入力部５６と、インバータ基準電圧生成部５５と、条件判定処理部５７と、発電制御部５８とを備える。系統電圧入力部５３、インバータ電圧入力部５４および受電電力入力部５６は、外部からの信号を受信する部分である。系統電圧入力部５３は、系統電圧測定器１０の検出信号１１を受信する。インバータ電圧入力部５４は、インバータ電圧測定器６３の検出信号６４を受信する。受電電力入力部５６は、電力検出器７の検出信号７１を受信する。

系統電圧計測器１０の検出信号１１、インバータ電圧測定器６３の検出信号６４および電力検出器７の検出信号７１は、アナログ信号である。系統電圧入力部５３、インバータ電圧入力部５４および受電電力入力部５６は、これらのアナログ信号をディジタル信号に変換する。

系統電圧計測器１０の検出信号１１は、系統電圧入力部５３によってディジタル信号に変換されて、発電制御部５８に伝達される。インバータ電圧計測器６３の検出信号６４は、インバータ電圧入力部５４によってディジタル信号に変換されて、条件判定処理部５７および発電制御部５８に伝達される。電力検出器７の検出信号７１は、受電電力入力部５６によってディジタル信号に変換されて、条件判定処理部５７に伝達される。

条件判定処理部５７は、ディジタル信号に変換されたインバータ電圧計測器６３の検出信号６４および電力検出器７の検出信号７１、インバータ基準電圧生成部５５が生成したインバータ基準電圧を示す信号、並びに、発電制御部５８が生成した運転モード信号９２を受信する。条件判定処理部５７は、これらの信号が示す情報に基づいて判定結果信号９１および開閉指令信号６５を生成する。判定結果信号９１は、発電制御部５８に伝達される。開閉指令信号６５は、半導体スイッチ３０に伝達される。

発電制御部５８は、ディジタル信号に変換された系統電圧計測器１０の検出信号１１およびインバータ電圧計測器６３の検出信号６４、並びに、判定結果信号９１に基づいて運転モード信号９２およびインバータ制御信号６１を生成する。生成されたインバータ制御信号６１は、インバータ６２に伝達される。

発電制御部５８が生成する運転モード信号９２は、燃料電池システムが自立運転を行っているか、系統連系運転を行っているかのいずれかの状態を示す。判定結果信号９１は、発電出力増加指令、自立運転開始指令および系統連系運転開始指令のいずれかを示す。発電制御部５８は、自立運転開始指令を示す判定結果信号９１を受けた後、系統連系運転開始指令を示す判定結果信号９１を受けるまで、燃料電池システムが自立運転モードにあるという運転モード信号９２を出力する。また、発電制御部５８は、系統連系運転開始指令を示す判定結果信号９１を受けた後、自立運転開始指令を示す判定系結果信号９１を受けるまで、燃料電池システムが系統連系運転モードにあるという運転モード信号９２を出力する。

系統連系運転モードの運転モード信号９２を受信している場合、条件判定処理部５７は、電力検出器７の検出信号７１が受電中であることを示していると、発電出力増加指令の判定結果信号９１を出力する。また、系統連系運転モードの運転モード信号９２を受信している場合、条件判定処理部５７は、電力検出器７の検出信号７１が逆潮流の発生を示していると、自立運転開始指令の判定結果信号９１を出力する。自立運転モードの運転モード信号９２を受信している場合、条件判定処理部５７は、インバータ基準電圧生成部５５が生成する基準電圧よりもインバータ電圧計測器６３の検出信号６４が示す電圧が低いと、系統連系運転開始指令の判定結果信号９１を出力する。

インバータ制御信号６１は、発電制御部５８によって、系統電圧計測器１０の検出信号１１と、インバータ電圧計測器６３の検出信号６４との電圧位相が同期するように生成される。発電出力増加指令を示す判定結果信号９１を受けた発電制御部５８は、インバータ６２が現在の発電電力よりも高い発電出力となるようなインバータ制御信号６１を生成する。

図３は、本実施の形態における燃料電池システムの動作のフローチャートである。

燃料電池システムの運転が開始されたら、まず、制御器６０は、自然エネルギー発電装置９が発電をしているか否かを確認する（Ｓ１）。自然エネルギー発電装置９が発電しているか否かは、たとえば自然エネルギー発電装置９と系統連結部２０との間に電力検出器（図示せず）を設けて検出する。

自然エネルギー発電装置９が発電をしている場合、制御器６０は、系統連系運転をしているか否かを判定する（Ｓ２）。系統連系運転をしているか否かの判定は、インバータ６２の運転モード信号９２に基づいて、条件判定処理部５７が行う。

系統連系運転をしていない場合（Ｓ２）には、系統連系運転へ切り替える（Ｓ３）。系統連系運転への切替（Ｓ３）において、条件判定処理部５７は、系統連系開始指令を判定結果信号９１として発電制御部５８に伝達する。系統連系開始指令を受けた発電制御部５８は、インバータ６２へインバータ制御信号６１を伝達する。インバータ制御信号６１は、発電制御部５８によって、系統電圧計測器１０の検出信号１１と、インバータ電圧計測器６３の検出信号６４との電圧位相が同期するように生成される。また、条件判定処理部５７は、半導体スイッチ３０に開閉指令信号６５を伝達して、半導体スイッチ３０を閉じる。

系統連系運転中と判定された場合（Ｓ２）、次に、受電中か否かを判定する（Ｓ４）。受電中か否かの判定（Ｓ４）は、電力検出器７の検出信号７１に基づいて条件判定処理部５７が行う。

また、自然エネルギー発電装置９が発電していないと判定した場合（Ｓ１）、自立運転をしているか否かを判定する（Ｓ６）。自立運転をしているか否かの判定は、系統連系運転をしているかどうかの判定と同様に、インバータ６２の運転モード信号９２に基づいて、条件判定処理部５７が行う。自立運転をしていない場合、すなわち、系統連系運転を行っている場合にも、受電中か否かを判定する（Ｓ４）。

受電中と判定された場合（Ｓ４）、インバータ６２に出力を増加させて（Ｓ５）、Ｓ１に戻る。出力の増加は、条件判定処理部５７が発電出力増加指令の制御信号９１を発電制御部５８に伝達することにより行う。発電出力増加指令の制御信号９１を受けた発電制御部５８は、インバータ制御信号６１を伝達してインバータ６２に電気出力を増加させる。

受電中でないと判定された場合（Ｓ４）、すなわち、逆潮流が発生している場合、自立運転に切り替える（Ｓ７）。このとき、条件判定処理部５７は、自立運転開始指令を判定結果信号９１として発電制御部５８に伝達する。自立運転開始指令を受けた発電制御部５８は、インバータ６２へインバータ制御信号６１を伝達する。インバータ制御信号６１は、発電制御部５８によって、インバータ６２が所定の電気出力をするように生成される。また、条件判定処理部５７は、半導体スイッチ３０に開閉指令信号６５を伝達して、半導体スイッチ３０を開く。

自立運転に切り替えた（Ｓ７）後は、過負荷か否かを判定しながら（Ｓ８）、過負荷となるまでは、そのままの運転を継続する。また、自然エネルギー発電装置９が発電していないと判定した（Ｓ１）後、自立運転中と判定された場合（Ｓ６）も、過負荷か否かを判定しながら（Ｓ８）、過負荷となるまでそのままの運転を継続する。

過負荷か否かの判定は、条件判定処理部５７が行う。条件判定処理部５７は、インバータ電圧計測器６３の検出信号６４とインバータ基準電圧生成部５５が生成した基準電圧を示す信号とを比較する。インバータ電圧計測器６３の検出信号６４が示す電圧と、基準電圧が同じであれば、過負荷ではないと判定する。インバータ電圧計測器６３の検出信号６４が示す電圧が、基準電圧よりも小さければ、過負荷であると判定する。ここで、基準電圧と同じとは、基準電圧との差が所定の誤差よりも小さいことをいう。

自動運転に切り替えた（Ｓ７）後、過負荷と判定されたら（Ｓ８）、系統連系運転に切り替える（Ｓ９）。系統連系運転への切替は、ステップＳ３と同様に行う。具体的には、以下のように行う。条件判定処理部５７は、系統連系開始指令を判定結果信号９１として発電制御部５８に伝達する。系統連系開始指令を受けた発電制御部５８は、インバータ６２へインバータ制御信号６１を伝達する。インバータ制御信号６１は、発電制御部５８によって、系統電圧計測器１０の検出信号１１と、インバータ電圧計測器６３の検出信号６４との電圧位相が同期するように生成される。また、条件判定処理部５７は、半導体スイッチ３０に開閉指令信号６５を伝達して、半導体スイッチ３０を閉じる。

過負荷となった後に、系統連系運転に切り替えたら（Ｓ９）、ステップＳ１に戻る。

このような燃料電池システムの動作を、インバータ６２が系統連系運転を行っている場合、および、インバータ６２が自立運転を行っている場合に分けて説明する。

まず、インバータ６２が系統連系運転を行っている場合について説明する。自然エネルギー発電装置９が停止中の場合（Ｓ１）、系統連系運転中か否かの判定をし（Ｓ２）、系統連系運転を行っている（Ｙｅｓ）ため、受電中か否かの判定（Ｓ４）に進む。また、自然エネルギー発電装置９が運転中の場合（Ｓ１）、自立運転中か否かの判定をし（Ｓ６）、自立運転を行っていない（Ｎｏ）ため、受電中か否かの判定（Ｓ４）に進む。

受電中（Ｙｅｓ）であれば、ステップＳ５において、条件判定処理部５７は、発電出力増加指令を発電制御部５８へ判定結果信号９１として出力する（Ｓ５）。これにより、インバータ６２の電気出力は増加される。さらに、ステップＳ１に戻り、ステップＳ２またはステップＳ６を経て、受電中か否かの判定をする（Ｓ４）。ここでも受電中であれば、さらにインバータ６２の電気出力は増加されることになる。

これらのステップを繰り返すことにより、燃料電池発電装置６は、最大出力すなわち定格運転状態となり、運転を継続することになる。つまり、燃料電池システムは、受電中のまま、すなわち、逆潮流が発生していない状態のまま、定格発電を行うこととなる。この状態では、家庭内などの外部負荷４の消費電力が燃料電池の定格発電電力以上である。その結果、燃料電池発電装置６は、最も効率が良い定格発電を行う状態となる。

図４は、本実施の形態における系統連系運転時の電力供給分担の例を示すグラフである。

家庭内などの外部負荷４の消費電力が、燃料電池発電装置６の発電電力より大きい場合、電力検出器７は受電状態を検知し、不足する電力は半導体スイッチ３０を介して商用電力系統１から受電される。このとき、自然エネルギー発電装置９が発電を行っている場合は、燃料電池発電装置６の発電電力で不足する電力を、自然エネルギー発電装置９の発電電力から供給することになる。

図４のケースＡのように、自然エネルギー発電装置９および燃料電池発電装置６での発電電力量が外部負荷４で消費する電力以上の場合は、自然エネルギー発電装置９による発電電力のうち余剰電力を売電することが可能である。しかし、図４のケースＢのように、夜間や風が弱く、自然エネルギー発電装置９の発電電力が小さく、自然エネルギー発電装置９および燃料電池発電装置６での発電電力量が外部負荷４の消費電力に対して不足する場合は、不足電力を、半導体スイッチ３０を介して商用電力系統１から受電し、外部負荷４へ供給する。なお、この際、蓄電池３１に、電圧変換器３２によって、燃料電池６６の発電電力を充電してもよい。

系統連系運転中に外部負荷４での消費電力が減少し、燃料電池発電装置６での発電電力よりも小さくなると、逆潮流が発生することになり、ステップＳ４で検知される。ステップＳ４で逆潮流が検知される（Ｎｏ）と、自立運転への切替が行われる（Ｓ７）。ステップＳ７で、条件判定処理部５７は、自立運転開始指令を発電制御部５８へ制御信号９１として出力する。これにより、自立運転が開始される。同時に、条件判定処理部５７から半導体スイッチ３０への開閉指令信号６５により半導体スイッチ３０が開く。この状態では、家庭内などの外部負荷４の消費電力は、燃料電池の定格発電電力未満であり、燃料電池発電装置６が、外部負荷４の消費電力を全て供給することが可能である。

次に、インバータ６２が自立運転を行っている場合の動作を説明する。

自然エネルギー発電装置９が発電中あるいは停止中のいずれの場合であっても、系統連系運転が行われている場合、燃料電池発電装置６の出力は増加していき（Ｓ５）、外部負荷４での消費電力が燃料電池発電装置６の定格出力以下であれば、いずれ、受電状態ではなくなる。その結果、ステップＳ４でＮｏの判定がされて、自立運転へ切り替えられる（Ｓ７）。

自立運転へ切り替えられた（Ｓ７）ら、過負荷となるまで自立運転が継続される（Ｓ８）。このとき、制御器６０に入力されている系統電圧計測器１０が測定した電圧の検出信号１１と、インバータ電圧計測器６３が測定した電圧の検出信号６４の電圧位相が同期するように、インバータ６２は制御される。系統電圧計測器１０は半導体スイッチ３０の系統側に設置されているため、自立運転モードとなったインバータ６２は、商用電力系統１と半導体スイッチ３０で切り離されているにもかかわらず、商用電力系統１と電圧位相が同期した状態で発電を継続することになる。

図５は、本実施の形態における自立運転時の電力供給分担を示すグラフである。

自立運転時に、インバータ６２は、図５の点線で示すような家庭内などの外部負荷４の増減に応じて、瞬時に応答し、必要な電力を供給する。燃料電池発電装置６６は、燃料を化学的に処理、反応することにより発電するシステムであることから、発電出力を急激に変化させることが困難であり、外部負荷４の増減に対して、図５の実線で示すように、発電電力の増減は、時間的な遅れを持つ傾向にある。しかし、本実施の形態では、外部負荷４の増減に対する電力の過不足分は、図５の一点鎖線で示すように、蓄電装置３１に蓄えられた電力を電圧変換器３２により充放電することによって、吸収あるいは供給される。

自立運転へ切り替えられた（Ｓ７）後、インバータ基準電圧生成部５５が生成する基準電圧よりもインバータ電圧計測器６３から伝達される検出信号６４が示す電圧が低下すると、条件判定処理部５７は、過負荷が生じたと判定する（Ｓ８）。過負荷と判定される（Ｓ８）と、系統連系運転への切り替えが行われる（Ｓ９）。系統連系運転への切り替えにおいて、条件判定処理部５７は系統連系開始指令を発電制御部５８へ判定結果信号９１として出力し、発電制御部５８からインバータ６２へインバータ制御信号６１が伝達されて、系統連系運転が開始される。同時に、条件判定処理部５７から半導体スイッチ３０への開閉信号６５により半導体スイッチ３０が閉じられる。

図６は、本実施の形態における自立運転から系統連系運転への切替時の電力供給分担を示すグラフである。

自立運転から系統連系運転への切替時には、家庭内などの外部負荷４の消費電力が燃料電池の定格発電電力以上となっているが、半導体スイッチ３０が瞬時に閉じるため、不足する電力は、商用電力系統１から受電して供給される。インバータ６２は自立運転中も商用電力系統１と電圧位相を同期させて運転しているため、自立運転から系統連系運転への切替に際しても位相差によって生じる突入電流は発生しない。このため、瞬時に系統連系運転を開始可能であり、インバータ６２が保護停止することはない。

このように、本実施の形態の燃料電池システムでは、燃料電池発電装置による余剰電力が生じていない場合は、自然エネルギーを用いた発電装置の余剰電力をより高い割合で売電することが可能である。また、燃料電池発電装置に余剰電力が生じるようなケースでは、家庭内などの外部負荷の全量を燃料電池発電装置が供給し、燃料電池発電装置は必要以上に発電出力を低下させることなく、高効率な発電を継続可能である。同時に、自然エネルギー発電装置は、発電した電力を家庭内で消費すること無しに、全量を売電することが可能である。

さらに、系統連系運転の状態から急激に外部負荷が低下した場合においても、半導体スイッチにより商用電力系統を高速で切り離すことによって、ダミー負荷やヒータなどで逆潮流電力を無駄に消費することなく、逆潮流の発生を防止することが可能である。また、自立運転中に急激に家庭内負荷が増加した場合においても、半導体スイッチにより商用電力系統を高速に接続することによって、不足電力を商用電力系統から受電して家庭内の負荷へ無停電で供給することが可能である。

以上のような燃料電池システムの運転を行うことによって、燃料電池発電装置の発電効率を可能な限り低下させず、同時に、自然エネルギーを用いた発電システムの発電電力をより高い割合で売電することができる。また、自然エネルギー発電装置の発電出力によらず、燃料電池発電装置の運転継続が可能であり、頻繁な起動停止が防止され、機器寿命の低下や省エネルギー性の悪化などの影響を抑制できる。

本実施の形態において、電力検出器７は、半導体スイッチ３０と系統電圧計測器１０との間に設置されているが、系統電圧計測器１０と自然エネルギー発電装置９との接続位置との間、あるいは、半導体スイッチ３０と外部負荷４との間に設置しても、同様の作用と効果が得られる。さらに、電力検出器７は、電力を直接計測する電力トランスデューサの他、電流を計測する電流トランスデューサを用いても、受電状態と逆潮流状態を識別できるので、同様の作用と効果が得られる。また、燃料電池発電装置連系用ブレーカー５の接続位置は、外部負荷４の接続位置より末端側であるが、半導体スイッチ３０および電力検出器７より下流であれば、外部負荷４より上流に接続しても、電力消費の大小関係に変化が無いため、同様の作用と効果が得られる。

［第２の実施の形態］
図７は、本発明に係る燃料電池システムの第２の実施の形態におけるブロック図である。

本実施の形態の燃料電池システムは、逆潮流防止装置８０を有している。逆潮流防止装置８０は、電力検出器７から検出信号７１を伝達され、半導体スイッチ３０に開閉指令信号６５を伝達する。また、逆潮流防止装置８０は、制御器６０に運転モード指令信号８１を伝達し、制御器６０から電圧低下信号８２を伝達される。

図８は、本実施の形態における制御器のブロック図である。

本実施の形態の制御器６０は、第１の実施の形態における受電電力入力部５６（図２参照）の代わりに、運転モード指令入力部９３を有している。逆潮流防止装置８０から伝達される運転モード指令信号８１は、運転モード指令入力部９３に入力される。また、本実施の形態において、条件判定処理部５７は、第１の実施の形態における開閉指令信号６５（図２参照）の代わりに、電圧低下信号８２を出力する。電圧低下信号８２は、インバータ６２の出力電圧が基準電圧よりも小さい場合に出力されるディジタル信号である。

逆潮流防止装置８０は、電力検出器７から伝達された検出信号７１に基づいて、商用電力系統１または自然エネルギー発電装置９から電力の供給を受けているか、商用電力系統１側に逆潮流が発生しているか否かを判定し、判定結果を運転モード指令信号８１として出力する。また、逆潮流防止装置８０は、半導体スイッチ３０への開閉指令信号６５を生成し、半導体スイッチ３０に伝達する。つまり、逆潮流防止装置８０は、半導体スイッチ３０の開閉状況、すなわち、系統連系中か否かを把握している。運転モード指令信号８１は、系統連系運転中かつ受電中、系統連系運転中かつ逆潮流発生中および自立運転中のいずれかの状態を示すディジタル信号である。

第１の実施の形態と同様に、判定結果信号９１は、発電出力増加指令、自立運転開始指令および系統連系運転開始指令のいずれかを示す。

条件判定処理部５７は、運転モード指令信号８１が系統連系運転中かつ受電中であることを示していると、発電出力増加指令の判定結果信号９１を出力する。また、条件判定処理部５７は、運転モード指令信号８１が系統連系運転中かつ逆潮流の発生を示していると、自立運転開始指令の判定結果信号９１を出力する。運転モード指令信号８１が自立運転モードである場合、条件判定処理部５７は、インバータ基準電圧生成部５５が生成する基準電圧よりもインバータ電圧計測器６３の検出信号６４が示す電圧が低いと、系統連系運転開始指令の判定結果信号９１を出力する。

インバータ制御信号６１は、発電制御部５８によって、系統電圧計測器１０の検出信号１１と、インバータ電圧計測器６３の検出信号６４との電圧位相が同期するように生成される。発電出力増加指令を示す判定結果信号９１を受けた発電制御部５８は、インバータ６２が現在の発電電力よりも高い発電出力となるようなインバータ制御信号６１を生成する。

本実施の形態の燃料電池システムも、第１の実施の形態と同じフローチャート（図３参照）に沿って動作する。

燃料電池システムの運転が開始されたら、まず、制御器６０は、自然エネルギー発電装置９が発電をしているか否かを確認する（Ｓ１）。自然エネルギー発電装置９が発電をしている場合、逆潮流防止装置８０は、系統連系運転をしているか否かを判定する（Ｓ２）。

系統連系運転をしていない場合（Ｓ２）には、系統連系運転へ切り替える（Ｓ３）。系統連系運転への切替（Ｓ３）において、逆潮流防止装置８０は、半導体スイッチ３０に開閉指令信号６５を伝達し、半導体スイッチ３０を閉にする。また、逆潮流防止装置８０から伝達された運転モード指令信号８１が自立運転モードから系統連系運転モードに切り替わったことによって、条件判定処理部５７は系統連系運転開始指令の判定結果信号９１を発電制御部５８に伝達する。発電制御部５８は、系統電圧計測器１０の検出信号１１とインバータ電圧計測器６３の検出信号６４との電圧位相が同期するようにインバータ制御信号６１を生成している。このため、インバータ６２はそのままの運転を継続することにより、系統連系運転が開始される。

系統連系運転中と判定された場合（Ｓ２）、次に、受電中か否かを判定する（Ｓ４）。受電中か否かの判定（Ｓ４）は、逆潮流防止装置８０が行う。

また、自然エネルギー発電装置９が発電していないと判定した場合（Ｓ１）、自立運転をしているか否かを判定する（Ｓ６）。自立運転をしているか否かの判定は、逆潮流防止装置８０が行う。自立運転をしていない場合、すなわち、系統連系運転を行っている場合にも、受電中か否かを判定する（Ｓ４）。受電中か否かの判定も逆潮流防止装置８０が行う。

受電中と判定された場合（Ｓ４）、インバータ６２に出力を増加させて（Ｓ５）、Ｓ１に戻る。出力の増加は、逆潮流防止装置８０からの受電中を示す運転モード指令信号８１によって、条件判定処理部５７が発電出力増加指令の制御信号９１を発電制御部５８に伝達することにより行う。発電出力増加指令の制御信号９１を受けた発電制御部５８は、インバータ制御信号６１を伝達してインバータ６２に電気出力を増加させる。

受電中でないと判定された場合（Ｓ４）、すなわち、逆潮流が発生している場合、自立運転に切り替える（Ｓ７）。このとき、逆潮流防止装置８０からの系統連系運転中かつ逆潮流発生中を示す運転モード指令信号８１によって、条件判定処理部５７は、自立運転開始指令を制御信号９１として発電制御部５８に伝達する。自立運転開始指令を受けた発電制御部５８は、インバータ６２へインバータ制御信号６１を伝達する。インバータ制御信号６１は、発電制御部５８によって、インバータ６２が所定の電気出力をするように生成される。また、逆潮流防止装置８０は、半導体スイッチ３０に開閉指令信号６５を伝達して、半導体スイッチ３０を開く。

自立運転に切り替えた（Ｓ７）後は、過負荷か否かを判定しながら（Ｓ８）、過負荷となるまでは、そのままの運転を継続する。また、自然エネルギー発電装置９が発電していないと判定した（Ｓ１）後、自立運転中と判定された場合（Ｓ６）も、過負荷か否かを判定しながら（Ｓ８）、過負荷となるまでそのままの運転を継続する。

過負荷か否かの判定は、条件判定処理部５７が行う。条件判定処理部５７は、インバータ電圧計測器６３の検出信号６４とインバータ基準電圧生成部５５が生成した基準電圧を示す信号とを比較する。インバータ電圧計測器６３の検出信号６４が示す電圧と、基準電圧が同じであれば、過負荷ではないと判定する。インバータ電圧計測器６３の検出信号６４が示す電圧が、基準電圧よりも小さければ、過負荷であると判定する。ここで、基準電圧と同じとは、基準電圧との差が所定の誤差よりも小さいことをいう。

自動運転に切り替えた（Ｓ７）後、過負荷と判定されたら（Ｓ８）、系統連系運転に切り替える（Ｓ９）。系統連系運転への切替は、ステップＳ３と同様に行う。具体的には、以下のように行う。条件判定処理部５７は、系統連系開始指令を判定結果信号９１として発電制御部５８に伝達する。系統連系開始指令を受けた発電制御部５８は、インバータ６２へインバータ制御信号６１を伝達する。インバータ制御信号６１は、発電制御部５８によって、系統電圧計測器１０の検出信号１１と、インバータ電圧計測器６３の検出信号６４との電圧位相が同期するように生成される。また、条件判定処理部５７は、電圧低下信号８２を逆潮流防止装置８０に伝達する。電圧低下信号８２を受信した逆潮流防止装置８０は、半導体スイッチ３０に開閉指令信号６５を伝達して、半導体スイッチ３０を閉じる。

過負荷となった後に、系統連系運転に切り替えたら（Ｓ９）、ステップＳ１に戻る。

このような燃料電池システムでも、第１の実施の形態と同様に、燃料電池発電装置による余剰電力が生じていない場合は、自然エネルギーを用いた発電装置の余剰電力をより高い割合で売電することが可能である。また、燃料電池発電装置に余剰電力が生じるようなケースでは、家庭内などの外部負荷の全量を燃料電池発電装置が供給し、燃料電池発電装置は必要以上に発電出力を低下させることなく、高効率な発電を継続可能である。同時に、自然エネルギー発電装置は、発電した電力を家庭内で消費すること無しに、全量を売電することが可能である。

さらに、系統連系運転の状態から急激に外部負荷が低下した場合においても、半導体スイッチにより商用電力系統を高速で切り離すことによって、ダミー負荷やヒータなどで逆潮流電力を無駄に消費することなく、逆潮流の発生を防止することが可能である。また、自立運転中に急激に家庭内負荷が増加した場合においても、半導体スイッチにより商用電力系統を高速に接続することによって、不足電力を商用電力系統から受電して家庭内の負荷へ無停電で供給することが可能である。

また、本実施の形態では、制御器６０が、外部からの信号により自立運転と系統連系運転のモードを切換えるディジタル入力と、基準電圧に対して系統電圧が低下した時に電圧低下信号を出力するディジタル出力を備えている。このため、第１の実施の形態のような電力検出器の検出信号を入力するアナログ入力ポートと、半導体スイッチを制御する電圧信号出力ポートが不要となる。その結果、制御器６０の回路が単純化される。

また、既存の燃料電池システムを本実施の形態の燃料電池システムに改造する場合、既存の制御器にアナログ入力ポートを追加することなく、制御器に逆潮流の発生の有無を伝達する逆潮流防止装置を設けることができる。さらに、既存の制御器にディジタルポートが設けられている場合には、そのポートが流用できる場合もある。このため、既存の燃料電池システムに、逆潮流防止装置と半導体スイッチを追加で設置し、制御器のロジックのソフトウェアを交換することによって、本実施の形態の燃料電池システムを実現できる場合がある。この場合、既存の燃料電池システムを容易に本実施の形態の燃料電池システムに改造することができ、燃料電池発電装置運用の自由度が増加する。

［他の実施の形態］
上述の各実施の形態は単なる例示であり、本発明はこれらに限定されない。また、各実施の形態の特徴を組み合わせて実施することもできる。

１…商用電力系統、４…外部負荷、５…燃料電池発電装置連系用ブレーカー、６…燃料電池発電装置、７…電力検出器、８…自然エネルギー発電装置連系用ブレーカー、９…自然エネルギー発電装置、１０…系統電圧計測器、１１…検出信号、２０…系統連結部、２１…負荷接続部、３０…半導体スイッチ、３１…蓄電池、３２…電圧変換器、５１…インバータ制御部、５２…プロセス制御部、５３…系統電圧入力部、５４…インバータ電圧入力部、５５…インバータ基準電圧生成部、５６…受電電力入力部、５７…条件判定処理部、５８…発電制御部、６０…制御器、６１…インバータ制御信号、６２…インバータ、６３…インバータ電圧計測器、６４…検出信号、６５…開閉指令信号、６６…燃料電池、７１…検出信号、８０…逆潮流防止装置、８１…運転モード指令信号、８２…電圧低下信号、９１…判定結果信号、９２…運転モード信号、９３…運転モード指令入力部

Claims (6)

1. 自然エネルギー発電装置および商用交流電力系統に系統連結部で接続され、負荷接続部に接続された外部負荷に電力を供給する燃料電池システムにおいて、
   前記系統連結部と前記負荷接続部との間に設けられた半導体スイッチと、
   前記系統連結部と前記負荷接続部との間の電力の供給方向を検出する電力検出器と、
   燃料電池と、
   前記負荷接続部と前記燃料電池との間に設けられて前記燃料電池が出力する直流電力を交流電力に変換するインバータと、
   前記インバータが発生させる電圧を測定するインバータ電圧計測器、
   前記電力検出器が前記負荷接続部から前記系統連結部への電力の供給を検出したら前記半導体スイッチを開の状態にさせる制御手段と、
   を有することを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記制御手段は、さらに、前記電力検出器が前記系統連結部から前記負荷接続部に向かう電力の供給を検出したら前記インバータに電気出力を増加させることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記商用交流電力系統の電圧を測定する系統電圧計測器をさらに有し、
   前記制御手段は、前記半導体スイッチが開の状態にある時はさらに、前記系統電圧計測器が測定する電圧の位相と、前記インバータ電圧計測器が測定する電圧の位相とが同期するように前記インバータを制御することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料電池システム。
4. 前記制御手段は、さらに、前記インバータ電圧計測器が測定する電圧が所定の基準電圧未満である場合に前記半導体スイッチを閉の状態にさせることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
5. 前記制御手段は、前記電力検出器の検出信号を伝達されてその検出信号をディジタル信号に変換するとともに前記電力検出器が前記負荷接続部から前記系統連結部に向かう電力の供給を検出すると前記半導体スイッチを開の状態にさせる逆潮流防止装置と、前記逆潮流防止装置から前記ディジタル信号を伝達されて前記電力検出器が前記系統連結部から前記負荷接続部に向かう電力の供給を検出したら前記インバータに電気出力を増加させる制御器と、を備えることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
6. 前記制御手段は、さらに、前記インバータ電圧計測器が測定する電圧が所定の基準電圧未満である場合に前記逆潮流防止装置に電圧低下信号を伝達し前記半導体スイッチを閉の状態にさせることを特徴とする請求項５に記載の燃料電池システム。

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