(57)【要約】【課題】簡易な構成により、逆潮流を適切に防止しつつ、燃料電池の発電効率を高めることが可能な発電システムを提供する。【解決手段】発電システムＡのパワーコンディショナ２は、燃料電池１０の駆動時において、電気負荷の消費電力が第１の所定値以上であること、および外部電力系統からの購入電力が第２の所定値以上であることの両条件が満たされたときに、燃料電池１０からの出力電流を増加させて外部電力系統からの購入電力を減少させる制御を実行する。【選択図】  図１
2014089914.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池およびこの燃料電池を制御する制御部と、
前記燃料電池によって発生させた電力を外部電力系統に連系した状態で電気負荷に供給可能なパワーコンディショナと、
を備えており、
前記制御部は、前記燃料電池の発電に使用される燃料ガス量に対応する指令電流値を前記パワーコンディショナに送信するように構成され、
前記パワーコンディショナは、前記燃料電池の駆動時には、前記燃料電池からこのパワーコンディショナに出力される出力電流が前記指令電流値を超えないようにするとともに、前記外部電力系統からの電力購入が行なわれるように、前記出力電流を制御する構成とされている、発電システムであって、
前記燃料電池の駆動時において、前記電気負荷の消費電力が第１の所定値以上であること、および前記外部電力系統からの購入電力が第２の所定値以上であることの両条件が満たされたときには、前記パワーコンディショナは、前記出力電流を増加させて前記外部電力系統からの購入電力を減少させる購入電力減少動作を実行するように構成されていることを特徴とする、発電システム。
【請求項２】
燃料電池およびこの燃料電池を制御する制御部と、
前記燃料電池によって発生させた電力を外部電力系統に連系した状態で電気負荷に供給可能なパワーコンディショナと、
を備えており、
前記制御部は、前記燃料電池の発電に使用される燃料ガス量に対応する指令電流値を前記パワーコンディショナに送信するように構成され、
前記パワーコンディショナは、前記燃料電池の駆動時には、前記燃料電池からこのパワーコンディショナに出力される出力電流が前記指令電流値を超えないようにするとともに、前記外部電力系統からの電力購入が行なわれるように、前記出力電流を制御する構成とされている、発電システムであって、
前記燃料電池の駆動時において、前記電気負荷の消費電力が所定値以上であること、および前記指令電流値が前記出力電流の値よりも所定以上に大きいことの両条件が満たされたときには、前記指令電流値がそれ迄の指令電流値よりも小さくされ、前記燃料電池の発電に使用される燃料ガス量を減少させる制御が実行されるように構成されていることを特徴とする、発電システム。
【請求項３】
請求項１に記載の発電システムであって、
前記パワーコンディショナが、前記購入電力減少動作を実行した後において、前記指令電流値が前記出力電流の値よりも所定以上に大きい条件がさらに満たされているときには、前記指令電流値がそれ迄の指令電流値よりも小さくされ、前記燃料電池の発電に用いられる燃料ガスの量を減少させる制御が実行されるように構成されている、発電システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池方式の発電システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
たとえば、ＳＯＦＣ（固体酸化物形燃料電池）などの燃料電池を利用した住宅用の発電システムにおいては、燃料電池で発生させた直流電力を、パワーコンディショナを用いて交流電力に変換させてから、住宅内における各種の電気機器などの電気負荷に供給させている（たとえば、特許文献１，２）。
このような発電システムとしては、燃料電池の駆動時に燃料電池の制御部からパワーコンディショナに対し、「指令電流値」のデータを送信させるようにしたものがある。この指令電流値は、発電に使用した燃料ガスの量に対応する値であり、燃料電池からパワーコンディショナに向けて出力される出力電流の最大許容値（パワーコンディショナが交流電力変換に使用してもよい最大電流値）を指示するものである。パワーコンディショナは、燃料電池から電力を引っ張るが、その際には燃料電池からパワーコンディショナへの出力電流は、前記の指令電流値を超えないように制御され、電圧降下などが防止されるようになっている。
一方、パワーコンディショナを介して電気負荷に電力供給を行なう場合、発電システムは、外部電力系統（商用電力系統）と連系した状態で運転されるのが通例である。ただし、燃料電池を利用して発生させた電力については、たとえば電力買取り対象にはされていないなどの理由から、逆潮流を生じないようにすることが要請される。
そこで、従来においては、燃料電池の駆動時においては、外部電力系統からたとえば数十Ｗ程度の電力購入（受電）がなされるように、燃料電池からパワーコンディショナへの出力電流の制御が行なわれている。
【０００３】
しかしながら、前記従来の手段によれば、パワーコンディショナは、指令電流値と同一または略同一程度にまで出力電流を積極的に引っ張りだしている訳ではなく、「指令電流値＞出力電流値」の関係が継続している。一方、燃料電池の制御部は、パワーコンディショナに対して指令電流値のデータ送信を行なっているものの、出力電流が指令電流値の域まで到達しているか否かを監視していない。このようなことから、従来においては、指令電流値と比較して出力電流値がかなり小さくなる状態となる。このような状態は、燃料電池における燃料ガスの消費量に対し、それに見合った電力利用が有効に図られていない状態である。したがって、発電効率を高める上で、未だ改善の余地がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１２−１３８９８８号公報
【特許文献２】特開２０１１−５０１９１号公報
【特許文献３】特開２００５−４４５３３号公報
【特許文献４】特開２０１０−１４６９２２号公報
【特許文献５】特許第４０２４８２９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、前記したような事情のもとで考え出されたものであり、簡易な構成により、逆潮流を適切に防止しつつ、燃料電池の発電効率を高めることが可能な発電システムを提供することを、その課題としている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記の課題を解決するため、本発明では、次の技術的手段を講じている。
【０００７】
本発明の第１の側面により提供される発電システムは、燃料電池およびこの燃料電池を制御する制御部と、前記燃料電池によって発生させた電力を外部電力系統に連系した状態で電気負荷に供給可能なパワーコンディショナと、を備えており、前記制御部は、前記燃料電池の発電に使用される燃料ガス量に対応する指令電流値を前記パワーコンディショナに送信するように構成され、前記パワーコンディショナは、前記燃料電池の駆動時には、前記燃料電池からこのパワーコンディショナに出力される出力電流が前記指令電流値を超えないようにするとともに、前記外部電力系統からの電力購入が行なわれるように、前記出力電流を制御する構成とされている、発電システムであって、前記燃料電池の駆動時において、前記電気負荷の消費電力が第１の所定値以上であること、および前記外部電力系統からの購入電力が第２の所定値以上であることの両条件が満たされたときには、前記パワーコンディショナは、前記出力電流を増加させて前記外部電力系統からの購入電力を減少させる購入電力減少動作を実行するように構成されていることを特徴としている。
【０００８】
このような構成によれば、燃料電池が駆動されて電気負荷に電力供給が行なわれている際に、所定の条件下において、燃料電池からの出力電流を増加させて外部電力系統からの購入電力を減少させているために、この動作が実行されることによって、燃料電池で発生させた電力の利用効率が高まる。一方、前記した購入電力減少動作が実行されるのは、電気負荷の消費電力が多く、かつ外部電力系統からの購入電力も多い場合であって、購入電力を小さくして出力電流を増加させたとしても逆潮流を生じ難い条件下とすることができる。このようなことから、前記構成によれば、逆潮流を適切に防止しつつ、発電効率を高めることが可能となる。
【０００９】
本発明の第２の側面により提供される発電システムは、燃料電池およびこの燃料電池を制御する制御部と、前記燃料電池によって発生させた電力を外部電力系統に連系した状態で電気負荷に供給可能なパワーコンディショナと、を備えており、前記制御部は、前記燃料電池の発電に使用される燃料ガス量に対応する指令電流値を前記パワーコンディショナに送信するように構成され、前記パワーコンディショナは、前記燃料電池の駆動時には、前記燃料電池からこのパワーコンディショナに出力される出力電流が前記指令電流値を超えないようにするとともに、前記外部電力系統からの電力購入が行なわれるように、前記出力電流を制御する構成とされている、発電システムであって、前記燃料電池の駆動時において、前記電気負荷の消費電力が所定値以上であること、および前記指令電流値が前記出力電流の値よりも所定以上に大きいことの両条件が満たされたときには、前記指令電流値がそれ迄の指令電流値よりも小さくされ、前記燃料電池の発電に使用される燃料ガス量を減少させる制御が実行されるように構成されていることを特徴としている。
【００１０】
このような構成によれば、燃料電池が駆動されて電気負荷に電力供給が行なわれている際に、所定の条件下において、指令電流値が小さくされ、燃料電池の発電に使用される燃料ガス量を減少させる制御が実行されるために、やはりこの制御によって発電効率が向上する。一方、そのような制御が実行されるのは、電気負荷の消費電力が所定値以上であって、逆潮流が生じ難い条件下である。したがって、逆潮流を適切に防止しつつ、発電効率を高めることができる。
【００１１】
本発明において、好ましくは、本発明の第１および第２の側面のそれぞれにより提供される発電システムの特徴的な構成を組み合わせた構成とされる。
具体的には、本発明の第１の側面により提供される発電システムにおいて、前記パワーコンディショナが、前記購入電力減少動作を実行した後において、前記指令電流値が前記出力電流の値よりも所定以上に大きい条件がさらに満たされているときには、前記指令電
流値がそれ迄の指令電流値よりも小さくされ、前記燃料電池の発電に用いられる燃料ガスの量を減少させる制御が実行されるように構成されている。
【００１２】
このような構成によれば、本発明の第１および第２の側面により提供される発電システムについて述べたそれぞれの効果が相乗的に得られ、逆潮流を防止しつつ、購入電力量を少なくした状況下において指令電流値を小さくし、発電効率を高めるのにより好ましいものとなる。
【００１３】
本発明のその他の特徴および利点は、添付図面を参照して以下に行なう発明の実施の形態の説明から、より明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明に係る発電システムの一例を示す概略説明図である。
【図２】図１に示す発電システムの燃料電池の制御部の動作処理手順の一例を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明の好ましい実施の形態について、図面を参照して具体的に説明する。
【００１６】
図１に示す発電システムＡは、燃料電池１０と制御部１１とを有する燃料電池発電装置１、およびパワーコンディショナ２を具備している。
【００１７】
燃料電池１０は、たとえばＳＯＦＣ（固体酸化物形燃料電池）や、ＰＥＦＣ（固体高分子形燃料電池）である。このようなタイプの燃料電池の構成は、従来既知であるため、その詳細な説明は省略する。
【００１８】
パワーコンディショナ２は、燃料電池１０において発生された電力を一般住宅での使用に適合する電力（たとえば、単相２００Ｖ）に調整するものであり、燃料電池１０から出力される直流電力を昇圧させるコンバータ（図示略）、このコンバータで昇圧された直流電力を所定の交流電力に変換するインバータ（図示略）、およびパワーコンディショナ２の各部を制御する制御部２０などを有している。燃料電池１０からパワーコンディショナ２に出力される出力電流の大きさは、パワーコンディショナ２により制御される。
【００１９】
パワーコンディショナ２の出力側配線Ｌ１は、分電盤３に接続されており、パワーコンディショナ２から出力される電力は、住宅内外に設置された複数の電気負荷に対し、分電盤３の分岐ブレーカ（図示略）などを経由して供給可能である。分電盤３は、外部電力系統と引込み線Ｌ２を介して接続されており、発電システムＡは、その運転時には外部電力系統と連系する。発電システムＡの通常時の駆動用電力は、たとえば住宅の電源コンセント３０から取られる。
【００２０】
制御部１１は、燃料電池１０の動作制御を行なうものであるが、パワーコンディショナ２に対する動作指令なども実行し、後述するように、発電効率を高めるための制御を実行する。制御部１１は、たとえば分電盤３内に取り付けたカレントトランス（図示略）などを利用し、電気負荷の消費電力（総消費電力）の検出、ならびに外部電力系統からの購入電力の検出が可能とされている。
【００２１】
次に、前記した発電システムＡの作用、ならびに制御部１１の動作処理手順の一例について、図２のフローチャートを参照しつつ説明する。
【００２２】
まず、燃料電池１０が駆動中である場合には、制御部１１は、パワーコンディショナ２
に対して指令電流値のデータを送信するとともに、外部電力系統からの購入電力の値Ｎ１を指示する（Ｓ１：ＹＥＳ，Ｓ２）。ここで、前記の指令電流値は、背景技術の欄で述べたとおりであり、燃料電池１０での発電に使用される燃料ガス量に対応する値であって、燃料電池１０からパワーコンディショナ２に向けて出力される出力電流の最大許容値であり、たとえば７〔Ａ〕である。前記購入電力の値Ｎ１は、たとえば３０〔Ｗ〕である。この値は、従来と同様に、やや多めであるが、本実施形態では、後述するように、所定条件下においては、購入電力を少なくする制御が実行される。
パワーコンディショナ２は、制御部１１から前記した指令を受けることにより、購入電力がたとえば３０〔Ｗ〕となり、かつ燃料電池１０からの出力電流が前記指令電流値を超えない条件を満たすように、燃料電池１０から出力電流を引っ張る。購入電力が多めにされた条件下では、たとえば指令電流値７〔Ａ〕であるのに対し、出力電流が６〔Ａ〕になるなど、その差は比較的大きい。
【００２３】
次いで、制御部１１は、次に述べる第１ないし第４の条件が満たされた場合には、パワーコンディショナ２に対し、購入電力を抑制すべき旨の指示を出す（Ｓ３：ＹＥＳ，Ｓ４：ＹＥＳ，Ｓ５：ＹＥＳ，Ｓ６：ＮＯ，Ｓ９）。
ここで、第１の条件は、電気負荷による消費電力が所定値（本発明でいう第１の所定値）以上であることであり（Ｓ３：ＹＥＳ）、前記の所定値は、好ましくは、燃料電池１０の定格出力とされる。定格出力は、たとえば７００〔Ｗ〕である。第２の条件は、前記第１の条件が満たされた状態が所定時間以上継続していることであり（Ｓ４：ＹＥＳ）、この所定時間は、たとえば１分〜数分程度の範囲内である。第３の条件は、外部電力系統からの電力購入が継続していることである（Ｓ５：ＹＥＳ）。第４の条件は、購入電力が所定値Ｎ２（本発明でいう第２の所定値）以上であることである（Ｓ６：ＮＯ）。所定値Ｎ２は、前記した所定値Ｎ１よりも小さい値であり、たとえば１５〔Ｗ〕である。
【００２４】
前記した４つの条件が満たされた結果、購入電力抑制指示がパワーコンディショナ２に対してなされると、このパワーコンディショナ２は、燃料電池１０からの出力電流を増加させ、購入電力を減少させることとなる。このことにより、発電効率が高められる。一方、このような動作処理は、電気負荷による消費電力が多く、かつ消費電力が安定した条件下で行なわれているために、購入電力を減少させたことに起因して、逆潮流が容易に生じるといった不具合も適切に回避することができる。
【００２５】
前記した動作処理の結果、購入電力が減少すると、ステップＳ６において「ＹＥＳ」となる。すると、制御部１１は、指令電流値と出力電流値とを比較し、指令電流値が出力電流値よりも所定値以上に大きければ、指令電流値を減少させる（Ｓ７：ＮＯ，Ｓ１０）。前記所定値は、たとえば１０〔ｍＡ〕程度である。前記した指令電流値の減少に伴い、出力電流を減少させることなく、燃料電池１０の燃料ガス消費量（余剰の消費量）を少なくする動作が実行される。したがって、発電効率をより高くすることができる。一方、前記した指令電流値の減少動作は、先に述べた第１ないし第３の条件（ステップＳ３〜Ｓ５のいずれもＹＥＳ）が満たされた際に行なわれるために、逆潮流も適切に防止される。
【００２６】
前記した指令電流値減少動作を終えた後には、購入電力抑制指示が継続された状態のまま、ステップＳ３の判断動作に戻る（Ｓ１０，Ｓ９，Ｓ３）。したがって、ステップＳ１０における指令電流値の減少幅を比較的小さくしておくことによって、ステップＳ３からＳ７：ＮＯを経たステップＳ１０，Ｓ９の一連のループ処理を、複数回にわたって繰り返させることができ、指令電流値を徐々に下げていくことが可能である。指令電流値を下げた結果、指令電流値と出力電流との差が所定値以下に小さくなった場合には、燃料電池１０の駆動が停止されない限りは、ステップ３に戻る（Ｓ７：ＹＥＳ，Ｓ８：ＮＯ，Ｓ３）。ステップＳ３〜Ｓ５のいずれかが「ＮＯ」である場合、ステップＳ２の動作が実行され、購入電力を少なくした状態や、指令電流値を下げた状態が解消されることとなる。
【００２７】
本発明は、上述した実施形態の内容に限定されない。本発明に係る発電システムの各部の具体的な構成は、本発明の意図する範囲内で種々に設計変更自在である。
【００２８】
本発明においては、上述した実施形態と同様に、出力電流を増加させて外部電力系統からの購入電力を少なくする処理（ステップＳ９に相当）と、指令電流値を小さくして燃料ガス消費量を減少させる処理（ステップＳ１０に相当）とを一連に実行させ得るように構成することが好ましいものの、これに限定されない。前記した２つの処理のうち、いずれか一方の処理のみが実行されるようにしてもよい。
上述した実施形態では、ステップＳ９，Ｓ１０のそれぞれの処理が実行される前提条件として、電気負荷の電力消費量が所定値以上であることが所定時間以上継続していること（ステップＳ４のＹＥＳ）も条件とされているために、逆潮流を確実に防止する上で、より好ましいが、そのような条件を除外してもよい。
【００２９】
本発明に係る発電システムは、住宅用に好適であるが、工場や各種の施設などの業務用として用いることもできる。また、燃料電池から排出される高温の排ガスを有効利用するコージェネレーションシステムとして構成することも可能である。燃料電池の種類や規模（定格出力）は問わない。
【符号の説明】
【００３０】
Ａ  発電システム
１  燃料電池発電装置
２  パワーコンディショナ
１０  燃料電池
１１  制御部
【図１】
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【図２】
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