(57)【要約】      （修正有）【課題】  燃料電池の非発電時に二次電池から補機電源に電力を供給する経路の損失を抑制することを目的とする。【解決手段】  系統連系装置は、発電装置1と、該発電装置の起動時に電力を消費する発電補機1aと、該発電補機1aへ所望の電圧を供給する補機電源6と、上記発電装置1の発電電力を充放電可能な二次電池装置2と、商用交流電源8に上記発電装置1を連系する双方向DC/ACインバータ5と、上記商用交流電源8と上記双方向DC/ACインバータ5の間に設けられたスイッチ手段7と、を有し、上記双方向DC/ACインバータ5のＤＣ端と上記補機電源6の入力は、上記発電装置1及び上記二次電池装置2の出力に接続され、上記発電装置1の非発電時には上記スイッチ手段7を開き上記双方向DC/ACインバータ5を停止し、上記二次電池装置2から上記補機電源6に供給する電圧は、発電時に上記二次電池装置2から上記補機電源6に供給する電圧より低い電圧である。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
発電装置と、該発電装置の起動時に電力を消費する発電補機と、該発電補機へ所望の電圧を供給する補機電源と、上記発電装置の発電電力を充放電可能な二次電池装置と、商用交流電源に上記発電装置を連系する双方向DC/ACインバータと、上記商用交流電源と上記双方向DC/ACインバータの間に設けられたスイッチ手段と、を有し、上記双方向DC/ACインバータのＤＣ端と上記補機電源の入力は、上記発電装置及び上記二次電池装置の出力に接続され、上記発電装置の非発電時には上記スイッチ手段を開き上記双方向DC/ACインバータを停止し、上記二次電池装置から上記補機電源に供給する電圧は、発電時に上記二次電池装置から上記補機電源に供給する電圧より低い電圧であることを特徴とする系統連系装置。
【請求項２】
請求項１記載の系統連系装置において、上記発電装置は発電器とＤＣ／ＤＣコンバータを含み、上記二次電池装置は二次電池と双方向ＤＣ／ＤＣコンバータを含み、上記発電装置の発電時には、上記ＤＣ／ＤＣコンバータおよび上記双方向ＤＣ／ＤＣコンバータは、上記商用交流電源の交流振幅以上の直流電圧を出力することを特徴とする系統連系装置。
【請求項３】
請求項２記載の系統連系装置において、上記双方向ＤＣ／ＤＣコンバータの入出力を短絡する開閉手段が設けられていることを特徴とする系統連系装置。
【請求項４】
請求項１記載の系統連系装置において、上記発電装置の非発電時には、上記補機電源の入力電圧値は上記二次電池の出力電圧より低いことを特徴とする系統連系装置。
【請求項５】
請求項１記載の系統連系装置において、上記補機電源の入力電圧値が上記商用交流電源の交流振幅値より大である第１のモードと、上記補機電源の入力電圧値が上記商用交流電源の交流振幅値以下である第２のモードを有することを特徴とする系統連系装置。
【請求項６】
請求項１記載の系統連系装置において、上記発電装置の非発電時に、上記商用交流電源の電力を上記補機電源に供給することを特徴とする系統連系装置。
【請求項７】
請求項６記載の系統連系装置において、上記二次電池の充電量を検出する手段を設け、上記発電装置の非発電時に、上記二次電池の充電量が所定の閾値より小さくなったときに、上記商用交流電源の電力を整流器を介して上記補機電源に供給することを特徴とする系統連系装置。
【請求項８】
請求項１から７のいずれか１項記載の系統連系装置において、上記発電装置は燃料電池を用いた発電装置である系統連系装置。
【請求項９】
請求項１から８のいずれか１項記載の系統連系装置において、上記発電装置は固体高分子型燃料電池を用いた発電装置である系統連系装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発電装置を商用交流電源に連系させるための系統連系装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、住宅の電力源として分散電源を用いることが検討されている。燃料電池は化学エネルギを直接電気エネルギに変換するので優れた変換効率を有する。また燃料電池の発電電力を二次電池に充放電することで住宅の受電電力を抑制して電気料金を抑制する方法が検討されている。
【０００３】
特許文献１には、燃料電池の起動後発電開始までに停電が発生した場合に二次電池より電力を供給する例が示されている。
【０００４】
【特許文献１】特開2002-63927号公報（段落００６３から段落００６９の記載）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１に開示されているように、商用交流電源と二次電池を系統連系インバータおよびＡＣ／ＤＣコンバータで接続する方法では、二次電池の電圧を系統連系に必要な高い電圧に維持する必要があるため、燃料電池の非発電時に補機電源供給回路で発生する損失が抑制できない。
【０００６】
本発明の目的は、燃料電池の非発電時に二次電池から補機電源に電力を供給する経路の損失を抑制することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
系統連系装置は、発電装置と、該発電装置の起動時に電力を消費する発電補機と、該発電補機へ所望の電圧を供給する補機電源と、上記発電装置の発電電力を充放電可能な二次電池装置と、商用交流電源に上記発電装置を連系する双方向DC/ACインバータと、上記商用交流電源と上記双方向DC/ACインバータの間に設けられたスイッチ手段と、を有し、上記双方向DC/ACインバータのＤＣ端と上記補機電源の入力は、上記発電装置及び上記二次電池装置の出力に接続され、上記発電装置の非発電時には上記スイッチ手段を開き上記双方向DC/ACインバータを停止し、上記二次電池装置から上記補機電源に供給する電圧は、発電時に上記二次電池装置から上記補機電源に供給する電圧より低い電圧である。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によると、発電装置の非発電時に、発電装置の補機電源に必要な電力を、二次電池の電力から低損失で供給することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
図１を参照して本発明による系統連系装置の第１の例を説明する。ここでは、系統連系装置として、燃料電池と商用交流電源の連系を実現する家庭用の燃料電池システムを例に挙げる。
【００１０】
本例の系統連系装置は、燃料電池１と、二次電池２と、燃料電池１に接続され燃料電池１の発電出力を制御するDC/DCコンバータ３と、二次電池２に接続され二次電池２の充放電を制御する双方向DC/DCコンバータ４と、DC/DCコンバータ３と双方向DC/DCコンバータ４の出力の合流点に接続された双方向DC/ACインバータ５と、燃料電池１に付属する補機１ａと、補機１ａに所望の電圧の電力を供給する補機電源６と、双方向DC/ACインバータ５と商用交流電源８の間を接続し又は遮断するスイッチ手段７とを有する。
【００１１】
燃料電池１は、固体高分子型又は固体酸化物型であってよい。燃料電池１の出力電圧は、例えば直流40〜80Vである。
【００１２】
二次電池２は、鉛電池、Liイオン電池、Ni水素電池、電気二重層キャパシタなど、充放電可能な二次電池であればどのようなものであってもよい。二次電池２の出力電圧は、例えば、直流100〜200Vである。
【００１３】
二次電池２の充電は、燃料電池１の発電時には、燃料電池１の発電電力によって行われ、燃料電池１の非発電時には、双方向DC/ACインバータ５および双方向DC/DCコンバータ４を介して供給される商用交流電源８の電力によってなされる。商用交流電源８は、100V/200Vの単相３線系統である。
【００１４】
補機１ａは、ガス類及び液類のポンプ、昇温用のヒータ、配管切り替え用の電磁弁、システム制御用マイクロコンピュータ等である。補機電源６は、入力電圧が変化しても常に補機１ａに5V、15V、24V等の一定の直流電圧を供給する。
【００１５】
次に、図２を参照して、系統連系装置の第１の例における補機電源６の入力電圧を説明する。図２の実線２０１は、補機電源６の入力電圧を表し、破線２０２は商用交流電源８の交流振幅を表し、破線２０３は二次電池２の出力電圧を表す。燃料電池１の発電時には、燃料電池１及び二次電池２の出力電力が補機電源６に供給される。燃料電池１の非発電時には、二次電池２の出力電力が補機電源６に供給される。
【００１６】
燃料電池１の発電時には、スイッチ手段７を閉じ、双方向DC/ACインバータ５を商用交流電源８へ系統連系する。燃料電池１の出力電力は、双方向DC/ACインバータ５を介して商用交流電源８へ接続される。
【００１７】
双方向DC/ACインバータ５の入力電圧は商用交流電源８の交流振幅以上の直流電圧300〜400V程度が必要である。従って、DC/DCコンバータ３および双方向DC/DCコンバータ４は、入力電圧を300〜400Vの直流電圧に変換する。即ち、DC/DCコンバータ３は、燃料電池１の出力電圧40〜80Vを300〜400Vに変換し、双方向DC/DCコンバータ４は、二次電池２の出力電圧100〜200Vを300〜400Vに変換する。このとき、双方向DC/ACインバータ５の入力端に接続された補機電源６にも300〜400Vの直流電圧が印加される。
【００１８】
燃料電池１の待機中及び起動中の非発電時では、燃料電池１から補機電源６に電力を供給することができない。そこで二次電池２が双方向DC/DCコンバータ４を介して補機電源６に電力を供給して、補機１ａの電力消費を賄う。スイッチ手段７を開き、双方向DC/ACインバータ５を停止し、商用交流電源８への系統連系を切断する。それにより、双方向DC/ACインバータ５の駆動によって生じる電力損失を低減できる。双方向DC/ACインバータ５が駆動されていない場合には、双方向DC/ACインバータ５の入力電圧は必ずしも300〜400Vである必要がない。従って、補機電源６の入力電圧は発電時に比べ低い電圧に設定できる。非発電時には、補機電源６には二次電池２の出力電圧を供給すればよい。この場合、双方向DC/DCコンバータ４の駆動も不要になり、さらに電力損失を低減することができる。即ち、本例によると、燃料電池１の非発電時において、双方向DC/ACインバータ５と双方向DC/DCコンバータ４を停止することにより、電力損失を軽減することができる。
【００１９】
図２において、燃料電池１の非発電時において、二次電池２から補機電源６に電流が流れるためには、実線にて示す補機電源６の入力電圧は破線にて示す二次電池２の出力電圧より低くなければならない。実際には、双方向DC/DCコンバータ４において電圧損失が発生する。従って、補機電源６の入力電圧は双方向DC/DCコンバータ４の出力電圧より低くなければならない。
【００２０】
補機電源６の入力電圧が、商用交流電源８の交流振幅以上の電圧となる場合を第１のモード、商用交流電源８の交流振幅未満、且つ二次電池２の電圧以上となる場合を第２のモード、二次電池２の電圧未満の電圧となる場合を第３のモードとする。燃料電池の発電時は第１のモードであり、非発電時は第２又は第３のモードである。
【００２１】
図３は、図１の系統連系装置の第１の例の電気系統図を示す。本例のDC/DCコンバータ３は、リアクトル3aと、ダイオード3bと、半導体スイッチ3cを用いた昇圧チョッパ回路より構成される。尚、DC/DCコンバータ３は、チョッパ回路以外にも高周波トランスを用いた絶縁型のコンバータなど、直流電圧変換を半導体スイッチのスイッチングにより行う電圧変換回路を使用することができる。本例の双方向DC/DCコンバータ４は、２直列の半導体スイッチ4a、リアクトル4bを用いた双方向チョッパ回路より構成される。本例の双方向DC/ACインバータ５は、整流器5a、抵抗5bより構成する初充電回路と、平滑コンデンサ5cと、半導体スイッチ5dと、フィルタ用リアクトル5eによる双方向DC/ACインバータ回路より構成される。本例のスイッチ手段７は、システム連系用のブレーカ7aと、交流連系用のリレー7bと、初充電回路用リレー7cにより構成される。商用交流電源８は、商用電力系統8aと、家庭内分電盤8b、家庭内電力負荷8cより構成される。補機電源６の入力端子は、双方向DC/ACインバータ５の入力端に接続され、補機電源６の出力端子は補機に接続されている。
【００２２】
系統連系装置の第１の例では、燃料電池１の発電時には、燃料電池１及び二次電池２から補機電源６に電力を供給することができる。また、燃料電池１の非発電時には、二次電池２から補機電源６に電力を供給することができる。こうして、補機電源６の入力電圧を切り替えることにより、二次電池２より補機電源６へ高効率で電力を供給することができる。
【００２３】
図４を参照して本発明による系統連系装置の第２の例を説明する。本例の系統連系装置を図１に示した第１の例と比較すると、本例では双方向DC/DCコンバータ４の両端を短絡するリレー９が付加されている点が異なる。ここでは、リレー９について説明する。燃料電池１の非発電時では、双方向DC/ACインバータ５を停止し、リレー９を投入する。それにより、補機電源６には二次電池２から補機電源６に直接電力を供給できる。従って、図２を参照して説明した、燃料電池１の非発電時における双方向DC/DCコンバータ４における損失を回避することができる。
【００２４】
図５を参照して本発明による系統連系装置の第３の例を説明する。本例の系統連系装置を図１に示した第１の例と比較すると、本例では双方向DC/ACインバータ５及びスイッチ手段７に並列にリレー10と整流器11が設けられ、更に、比較器１３が付加されている点が異なる。本例では、二次電池２の充電量の低下した場合に商用交流電源８から補機電源６に電力を直接供給する。
【００２５】
燃料電池１の非発電時にて、比較器１３は、二次電池２の充電量１２を検出し、それを所定の充電量閾値１４と比較する。充電量１２が充電量閾値１４未満の場合はリレー１０を接続する。商用交流電源８に電力は、リレー１０を介して、整流器11に供給され、そこで直流に整流され、補機電源６に供給される。充電量１２が充電量閾値１４以上の場合はリレー１０を開放する。
【００２６】
図６は、系統連系装置の第３の例における非発電時の補機電源６の入力電圧の変化を示す。図６Ａの実線の曲線１２は二次電池２の充電量を示し、破線１４は充電量閾値を示す。図６Ｂの実線２０１は、補機電源６の入力電圧を表し、破線２０２は商用交流電源８の交流振幅を表し、破線２０３は二次電池２の出力電圧を表す。
【００２７】
最初は非発電時の第３のモードである。補機電源６の入力電圧２０１は二次電池２の出力電圧２０３未満である。二次電池２の充電量１２が減少し、所定の充電量閾値１４未満となると、リレー１０が接続される。それにより、補機電源６の入力電圧２０１は、商用交流電源８を整流した電圧となり、モード２に移行する。
【００２８】
補機電源６の入力電圧２０１が商用交流電源８の交流振幅２０２より僅かに低いのは整流器11における損失に起因する。本例によれば、二次電池１２の充電量が低下し放電不可能になった場合でも、補機電源６への電力供給を継続することができる。
【００２９】
上述の本発明による系統連系装置の第１、第２及び第３の例は、燃料電池システムの場合であるが、本発明は、ガスタービン、ガスエンジン、マイクロガスタービン、マイクロガスエンジン、太陽光発電装置、風力発電装置など、起動時損失や待機状態での損失が発生する分散電源を備えた系統連系システム全般にも適用可能である。
【００３０】
以上、本発明の例を説明したが、本発明は上述の例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された発明の範囲にて様々な変更が可能であることは当業者に理解されよう。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明の系統連系装置の第１の例の構成を示す図である。
【図２】本発明の系統連系装置の第１の例における、補機電源の入力電圧の変化を説明するための説明図である。
【図３】本発明の系統連系装置の第１の例の電気回路の例を示す図である。
【図４】本発明の系統連系装置の第２の例の構成を示す図である。
【図５】本発明の系統連系装置の第３の例の構成を示す図である。
【図６】本発明の系統連系装置の第３の例における、補機電源の入力電圧の変化を説明するための説明図である。
【符号の説明】
【００３２】
１…燃料電池、１ａ…補機、２…二次電池、３…DC/DCコンバータ、４…双方向DC/DCコンバータ、５…双方向DC/ACインバータ、６…補機電源、７…スイッチ手段、８…商用交流電源、９，１０…リレー、１１…ダイオード整流器。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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