(57)【要約】【課題】電力系統停電時に独立運転を行い、任意に選択し接続される機器に電力を供給する、安価な独立運転機能付きの燃料電池発電装置を提供する。【解決手段】停電時には、保護装置５１が異常を検知して、開閉装置５２を開かせて電力系統と本装置を切り離すと共に、制御手段６４が、パワーコンディショナー３の制御を、電力系統連系運転における電力制御から、独立運転における電圧や周波数の制御に切り替える。コンセント７の電力を検出器７１により電力値として検出し、その電力値の増減に合せて、制御手段６４を介して余剰電力処理ヒーター６５の電力を減増させることにより、それを加味したパワーコンディショナー３の出力を予め定めた出力付近に維持し、安定させる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池と、
炭化水素系の原燃料から前記燃料電池の燃料となる水素主体ガスを生成する燃料処理装置と、
前記燃料電池の発生する直流出力電力を交流電力に変換するパワーコンディショナーと、
外部の電力系統と接続するための保護装置及び開閉装置と、
前記電力系統に逆に電力を送出する事を防止する余剰電力消費用のヒーターと、
前記燃料電池について、通常時は前記電力系統と接続して発電動作させる電力系統連系運転を行わせるとともに、前記電力系統の停電時には独立電源として動作させる独立運転に切り替える制御を行う、制御手段と、
前記停電時の前記独立電源について独立した出力を取り出すためのコンセント回路と、
前記コンセント回路の通過電力を計測する計測装置と、
前記ヒーターの消費電力を計測又は演算する手段と、
を具備し、
前記制御手段は、前記電力系統の停電時に、前記コンセント回路の通過電力と、前記ヒーターの消費電力と、の和が予め定めた予定電力となるように、前記ヒーターの消費電力を増減させる
ことを特徴とする燃料電池発電装置。
【請求項２】
前記制御手段は、
前記停電時には、前記コンセント回路の通過電力と、前記ヒーターの前記消費電力の和が、燃料電池発電装置の定格出力電力となるように、前記ヒーターの電力を増減制御する
ことを特徴とする請求項１記載の燃料電池発電装置。
【請求項３】
前記制御手段は、
前記コンセント回路の通過電力と、前記ヒーターの消費電力の和が、前記停電の発生直後には発生直前の燃料電池発電装置出力となるように前記余剰電力消費ヒーターの電力を制御し、その後に、予め定められた所定の電力上昇レートにしたがって、燃料電池発電装置の出力電力を燃料電池発電装置の定格出力まで上昇させる
ことを特徴とする請求項１又は２記載の燃料電池発電装置。
【請求項４】
燃料電池と、
炭化水素系の原燃料から前記燃料電池の燃料となる水素主体ガスを生成する燃料処理装置と、
前記燃料電池の発生する直流出力電力を交流電力に変換するパワーコンディショナーと、
外部の電力系統と接続するための保護装置及び開閉装置と、
前記電力系統に逆に電力を送出する事を防止する余剰電力消費用のヒーターと、
前記燃料電池について、通常時は前記電力系統と接続して発電動作させる電力系統連系運転を行わせるとともに、前記電力系統の停電時には独立電源として動作させる独立運転に切り替える制御を行う、制御手段と、
前記停電時の前記独立電源について独立した出力を取り出すためのコンセント回路と、
前記コンセント回路の通過電力を計測する計測装置と、
前記ヒーターの消費電力を計測又は演算する手段と、
を具備する燃料電池発電装置の制御方法であって、
前記制御手段により、前記電力系統の停電時に、前記コンセント回路の通過電力と、前記ヒーターの消費電力と、の和が予め定めた予定電力となるように、前記ヒーターの消費電力を増減させる
ことを特徴とする燃料電池発電装置の制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池発電装置の改良に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、分散電源として開発・製造されている固体高分子形燃料電池発電装置は、水素燃料を直接にガスボンベ等が供給する車積型とは異なり、メタンやプロパン等の低分子炭化水素を内蔵する燃料処理装置により水素主体ガスを生成して使用している。
【０００３】
このため、天然ガス主体の都市ガスやＬＰガスを燃料として使用でき、燃料入手容易な燃料電池発電装置という利点がある一方、この燃料処理装置の制約として、水素主体ガスの生成遅延（負荷追従性の低下）や低負荷での運転継続困難性が存在する。
【０００４】
電力系統連系運転に、負荷追従性が遅い燃料電池発電装置を適用しようとする場合は、その燃料電池発電装置を一定出力運転とし、不足電力を系統から受けて運転することにより、運転可能と考えられる。
【０００５】
例えば、負荷追従性が極度に悪く、自己の発電装置の補機の電力変化さえも許容できない燃料電池発電装置を系統連系運転する場合に関しては、自己の補機の電力変化分を電力系統からの供給に依存して運転させる発明が知られている（特許文献１参照）。
【特許文献１】特許第３５８８８５５号
【特許文献２】特許第３０９７３４８号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
一方、停電時などの独立運転時は、負荷電力の変動に対してそのまま、燃料電池発電装置の出力変動として対応しなければならないため、自己の負荷追従速度では使用に耐えられない場合、等価的に負荷追従性を改善する技術が考案されている。その一つは、独立運転に対応するために、電気エネルギーを蓄積・放出できる機器・装置である２次電池と、他のエネルギーから電気又は電気と熱を取り出す機器である燃料電池発電装置と、を組み合わせて複合電源として運用する発電装置である（例えば、特許文献２参照）。このようにすれば、急峻な負荷変動については、２次電池からの放電又は２次電池への充電を行う事により軽減又は平準化して、燃料電池発電装置側の出力変動を緩やかにする事により、負荷追従性を高めることができる。
【０００７】
この方式の発電装置では、急峻負荷変動時のエネルギーロスは、２次電池への充放電エネルギー変換ロスのみであり、常に負荷変動がある独立運転が主体の運転を行う用途に適しているのは明らかであり、付加費用以上に効果が期待できる場合が多い。
【０００８】
しかしながら、一般家庭に導入される系統連系燃料電池発電装置に付加する場合は、下記の欠点がある。その一つは２次電池についてであり、２次電池は無停電電源装置にも使用されているが、鉛蓄電池等を用いる場合は重く、大きく、高価であり、廃棄にも注意が必要であるなど、一般家庭で扱う製品としては適応性に問題がある。
【０００９】
特に、設置面積の増大は、都市部の一般家庭（いわゆる、戸建て住宅）では、切実な問題となる場合がほとんどである。また、近年、車載用のいわゆるハイブリット動力源の蓄電装置として、比較的コンパクトなリチウムイオンなどの２次電池が市場に登場しているが、これらは、さらになおいっそう高価であり、コスト的に導入が躊躇される。
【００１０】
したがって、家庭用の燃料電池を、系統停電時も独立電源として使用する発電装置として提供する場合は、２次電池とのハイブリットではなく、より小型で安価な装置とする必要がある。
【００１１】
ところで、日本国内等では、電力配電網が発達しており、山小屋等の特殊なケースを除いて、電力会社等から電力を買い、電気を常時、必要なだけ使用する生活を送っている。このため、家庭用燃料電池は、通常では独立電源として使用するのではなく、電力系統に並列に接続し（これを「系統連系」と一般に称する）、燃料電池出力電力は、全量をその家庭で使用し、その家庭で不足した電力を電力系統から自動的に受電する方式を採用している。
【００１２】
このような家庭の電力負荷は時々刻々変化するが、燃料電池発電装置の負荷追従性（出力変化速度）は、前述の様に悪いために緩やかな出力変化のみに対応し、電力負荷の変化分は電力系統からの受電電力の変化となるのが、一般的な運用形態である。この場合、家庭の電力負荷が、暖房電力を切るとか、大きな負荷を切るなどで急減すると、燃料電池の出力電力が家庭の全負荷電力を上回る事がある。
【００１３】
この場合は、家庭から電力会社の配電系統に電力が流出し、この状態を逆潮流や逆潮又は逆電力と称する事が多いが、契約の種類としては、この状態を認める契約（逆潮有り連系運転契約）か、または、この状態を異常として、電力系統から家庭全体か燃料電池の少なくともいずれか一方を切り離す動作をする契約（逆潮無し連系契約）、のいずれかが適用されている。このうち、原則は逆潮無し契約であるが、上述の様に、燃料電池の負荷追従性の制約や、最低許容出力特性（一般的には２０〜３０％が多い）の制約のため、仕方なく逆潮を認める事もある。
【００１４】
上記のような逆潮流の発生を防止するために、消費電力変動による過渡的発生又は定常発生の余剰電力を消費する方法の１つに、電力を温水の熱に変えるヒータを使用する方法があり、これにより等価的に熱電比率（コージェネレーション発電において、発生電力と発生利用熱の比率）を変化させて、家庭への電力を減らす事ができる。
【００１５】
このような技術は、電力を無駄に消費する事無く、熱エネルギーとして回収するので、総合的なエネルギー変換効率を落とす事もなく、一般的に活用されつつある。この場合のヒーターは、逆潮さえしなければ良いので、多目に投入する等の比較的大まかな制御でよく、多段階のオン・オフ制御も使用される。
【００１６】
上述の様に、燃料電池を併用する電源が一般家庭に導入されると、可能性が少ないとはいえども、系統停電時にも電気を使用したいとする要求が発生するのは、自明である。系統停電については、日本国内の電力系統は優秀であり、停電回数、継続時間とも非常に少なく、例えば、平成９年度統計では、需要家当りの全国平均を使用すると、平均的な停電継続時間は１５分以内、停電発生回数は０．１回／年程度であった。
【００１７】
この現状からは、停電時に独立運転を要する運転時間は、系統連系運転時間に比して無視できる程度の短時間であり、独立運転時の効率は特許文献２に示されるように高効率ではなくても、運転さえ継続できれば充分に使用可能な発電装置となる。換言すると、独立運転時の効率は低効率であっても、全体として、経済上の損失は無視されるレベルになるということである。
【００１８】
一方、停電時の一般家庭についての影響を説明する。
近年は、電気が常時供給されている事を前提にして、大部分の機器が構成され使用に供されているため、一旦停電が発生すると大きな影響が発生する。例えば、エアコンやその他の電力消費製品が停止するだけでなく、パーソナル・コンピューター等の情報機器も、一部のバッテリー内蔵機器を除いて動作不能なる。また、電気時計、テレビジョン等も使用不能となる。当然、照明も使用不能となり、夜間に発生すると、大きな混乱が発生する。
【００１９】
さらには、有用な情報伝達手段である一般電話についても、従来のアナログ回線であれば、電力は電話局から供給されているので、停電時でも発信、受信、通話は可能で、保安上等の最低限度の情報伝達が可能であった。
【００２０】
しかし、近年のいわゆるＩＰ電話等は、その動作電源は電力会社からの受電による商用電源に頼っているので、停電時は動作できなくなる。また、アナログ回線であっても電話機の構造によっては、商用電源が不可欠なものもあり、ファクシミリ機能も商用電源が不可欠である。
【００２１】
以上のように、一般家庭においても停電継続は許容できない情況になりつつあるが、停電を回避するための、いわゆる無停電電源（ＵＰＳ）などの機器は、高価で取扱い・保守も面倒であるので、一般家庭に導入は困難である。
【００２２】
燃料電池発電装置に、独立運転機能と共に無停電切替装置を付加する事は好ましいことではあるが、容量的に家庭の全負荷を賄えないので、ビル等の自家用電気設備系統に見られるように、停電時に供給する負荷系統とそうでない負荷系統に系統を分けて設備する必要があり、その様な構成は一般家庭においては採用困難である。
【００２３】
別の対応策として、独立運転機能付き燃料電池発電装置等において、電力系統停電時に、電力供給可能な装置から電力供給されるコンセントを予め準備し、停電発生後に使用者が必要な機器を専用コンセントに接続して、使用する方式も考えられる。
【００２４】
例えば、ＩＰ電話であれば、ＡＤＳＬモデムや光終端装置及びルータと電話機をこのコンセントに接続すると電話の機能が回復する。これらの電力は高々十数Ｗ程度であり、燃料電池等の家庭用の電源で充分賄えるものである。また、近年の液晶等の低電力テレビ等を接続し、情報を得る事も可能である。さらに、携帯電話のＡＣアダプターを接続して、携帯電話のバッテリー容量の如何に関わらず、通信可能状態を維持できる。
【００２５】
この様な独立運転負荷専用コンセントを備えた発電装置としては、バッテリーと組み合わせて使用する太陽光発電装置の一部が知られているが、太陽光発電装置のエネルギー源は太陽光であるため電力的に不安定であり、このような独立電源として使用するためには、結局、高価なバッテリーのような蓄電装置と併用が不可欠で高価なものとなっている。
【００２６】
一方、上記のように燃料電池発電装置において、通常時は系統連携運転し、停電時に独立運転する場合は、燃料電池の負荷追従性の限界や最低許容出力特性があるなかで、逆潮による電力系統への予期せぬ影響を防止しながら、円滑な運転切替を要するという困難な課題もあった。
【００２７】
本発明は、以上述べてきた従来技術の課題を解決するもので、その目的は、電力系統停電時に独立運転を行い、任意に選択し接続される機器に電力を供給する、安価な独立運転機能付きの燃料電池発電装置を提供する事にある。
【課題を解決するための手段】
【００２８】
上記の目的を達成するため、本発明の一態様としての燃料電池発電装置は、燃料電池と、炭化水素系の原燃料から前記燃料電池の燃料となる水素主体ガスを生成する燃料処理装置と、前記燃料電池の発生する直流出力電力を交流電力に変換するパワーコンディショナーと、外部の電力系統と接続するための保護装置及び開閉装置と、前記電力系統に逆に電力を送出する事を防止する余剰電力消費用のヒーターと、前記燃料電池について、通常時は前記電力系統と接続して発電動作させる電力系統連系運転を行わせるとともに、前記電力系統の停電時には独立電源として動作させる独立運転に切り替える制御を行う、制御手段と、前記停電時の前記独立電源について独立した出力を取り出すためのコンセント回路と、前記コンセント回路の通過電力を計測する計測装置と、前記ヒーターの消費電力を計測又は演算する手段と、を具備し、前記制御手段は、前記電力系統の停電時に、前記コンセント回路の通過電力と、前記ヒーターの消費電力と、の和が予め定めた予定電力となるように、前記ヒーターの消費電力を増減させることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２９】
このように、停電時には回路を独立運転に切り替えると供に、負荷の電力消費の変動に応じてヒーターの消費電力を制御することで余剰電力を消化させることにより、燃料電池のインバータ等の出力や変動速度を負荷追従性等の許容範囲内に納めて安定した独立運転を可能とし、人間が選択しコンセントに接続する所望の機器に電力を安定供給することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３０】
以下、本発明を実施するための複数の最良の実施形態について、図面を引用しながら説明する。なお、背景技術や課題での説明と共通の前提事項については、適宜省略する。また、各実施形態は、本発明の燃料電池発電装置を中心に示すが、本発明は、燃料電池発電装置の制御方法や制御プログラムとしても把握可能である。
【００３１】
〔１．第１実施形態〕
〔１−１．第１実施形態の構成〕
まず、第１実施形態における燃料電池発電装置（以下「本装置」と呼ぶ）の構成を図１に示す。すなわち、本装置は、炭化水素系の原燃料から水素主体ガスを生成する燃料処理装置２と、前記水素主体ガスを用いる燃料電池本体（以下、単に「燃料電池」とも呼ぶ）２と、を有する。
【００３２】
また、本装置は、燃料電池２の発生する直流出力電力を、一般電力系統で使用される交流電力に変換するパワーコンディショナー３と、外部の図示しない電力系統と接続するための保護装置５１及び開閉装置５２と、前記電力系統に逆に電力を送出する事を防止する余剰電力消費用のヒーター６５と、を有する。
【００３３】
また、制御手段６４は、パワーコンディショナー３や保護回路５１など本装置の各部と接続され、燃料電池２について、通常時は前記電力系統と接続して発電動作させる電力系統連系運転を行わせるとともに、前記電力系統の停電時には独立電源として動作させる独立運転に切り替える制御を行うもので、制御用の演算処理を行う図示しないＣＰＵを含む。
【００３４】
また、本装置は、停電時に独立電源として独立した出力を取り出すために、独立負荷用のコンセント回路（以下「コンセント」と呼ぶ）７と、コンセント７の通過電力を計測する計測装置である検出器７１と、を有する。また、本実施形態では、ヒーター６５の消費電力を制御するとともに計測又は演算する手段を、制御手段６４が兼ね備え又は内蔵することにより、構成をコンパクト化している。
【００３５】
〔１−２．第１実施形態の作用〕
上記のように構成された第１実施形態は、以下のように働く。
【００３６】
〔１−２−１．基本的作用〕
通常時と停電時に共通の作用としては、まず、メタンなど炭化水素系の原燃料を、燃料処理装置１に導入し、この燃料処理装置１が水蒸気改質等の改質手段を用いて、前記原燃料から水素主体ガスを生成する。この水素主体ガスを燃料電池本体２の燃料極２１に導入すると同時に、燃料電池本体２の空気極２２には、図示しない空気供給装置から空気（酸素）を導入すると、燃料電池２の内部で、水素及び酸素を原料とする電気化学的反応により、直流電力が発生する。この発生した直流電力を、パワーコンディショナー３により、所定の周波数・電圧・相数の交流電力に変換する。
【００３７】
〔１−２−２．系統連系運転時動作の説明〕
そして、通常時の電力系統連系運転では、パワーコンディショナー３からの出力は分岐し、電力の主要部分は、保護装置５１と開閉装置５２を通して、本装置外（例えば、宅内電力配線など）に供給する。電力の残る一部分は、本装置内部の補機回路（単に「補機」とも呼ぶ）６０に供給し、場合によってはさらに、本装置内部に設置したヒーター６５にも、制御手段６４を介して供給する。一方、独立負荷用のコンセント７は、何も接続されていない状態である。
【００３８】
このような通常時は、本装置の運転は、既に説明した従来の燃料電池発電装置における系統連系運転と同様、緩やかな出力変化にのみ対応し、例えば、家庭内での負荷が急減して、家庭から電力会社の側へ電力を送り出す（逆潮）動作付近では、制御手段６４がヒーター６５を動作させることにより、電力を熱に変えて有効利用を図っている。
【００３９】
〔１−２−３．系統停電時の動作の説明〕
一方、停電に代表される電力系統の異常時には、系統連系運転が出来なくなるので、保護装置５１が異常を検知して、開閉装置５２を開かせて電力系統と本装置を切り離すと共に、制御手段６４が、パワーコンディショナー３の制御を、電力系統連系運転における電力制御から、独立運転における電圧や周波数の制御に切り替える。
【００４０】
また、停電時は、制御手段６４が、コンセント７の通過電力と、ヒーター６５の消費電力と、の和が予め定めた予定電力となるように、ヒーター６５の消費電力を増減させる（演算制御処理）。
【００４１】
すなわち、コンセント７の電力を検出器７１により電力値として検出し、その電力値の増減に合せて、制御手段６４を介して余剰電力処理ヒーター６５の電力を減増させることにより、それを加味したパワーコンディショナー３の出力を予め定めた出力付近に維持し、安定させる。このように制御する事により、独立負荷の電力がすばやい増減をしても、本装置の燃料処理装置１や燃料電池本体２の動作点は大きくは移動しないので、系統連系時と同様の安定性が確保される。
【００４２】
〔１−３．効果〕
以上のように、第１実施形態では、独立運転時に常に余剰電力処理のヒーター６５を通して電気エネルギーを熱エネルギーに変えている事になるが、前述したように、燃料電池発電装置の全動作時間に占める独立運転時間は微小であり、経済効果が失われる事はなく、安価な付加回路により、系統停電時も電力供給ができる燃料電池発電装置が提供できる。
【００４３】
すなわち、停電時には回路を独立運転に切り替えると供に、負荷の電力消費の変動に応じてヒーターの消費電力を制御することで余剰電力を消化させることにより、燃料電池のインバータ等の出力や変動速度を負荷追従性等の許容範囲内に納めて安定した独立運転を可能とし、人間が選択しコンセント７に接続する所望の機器に電力を安定供給することが可能となる。
【００４４】
〔２．第２実施形態〕
第２実施形態は、第１実施形態における停電時のパワーコンディショナー３の出力を、燃料電池発電装置の定格値付近に固定するように制御する例である。この場合、制御手段６４は、停電時には、コンセント７の通過電力と、ヒーター６５の消費電力の和（以下「和電力」と呼ぶ）が、本装置の定格出力電力となるように、ヒーター６５の電力を増減制御する。
【００４５】
このように、コンセントとヒーターの電力の和を燃料電池の定格出力とする制御により、独立負荷用のコンセント７から最大電力を効率よく取り出す事が可能となり、多数の機器を使用する事が可能となる。この場合、少数の機器を接続使用する場合はエネルギーロスが生じるが、独立運転の利益を相殺するものではない。
【００４６】
〔３．第３実施形態〕
第３実施形態は、負荷追従性が極度に悪い燃料電池発電装置を使用する場合に、系統停電発生時の負荷量から最大負荷量への移行において、出力上昇速度を既定値以下にする例である。
【００４７】
この場合、制御手段６４は、パワーコンディショナー３の電力すなわち燃料電池発電装置の出力電力をモニターし、コンセント７の通過電力とヒーター６５の消費電力の和電力が、停電発生直後の独立運転開始時には、停電発生直前の燃料電池発電装置の出力電力となるように、ヒーター６５の消費電力を増減制御する。
【００４８】
その後に、燃料電池発電装置の出力電力を、燃料電池発電装置の定格出力電力まで、予め定められた規定値以下の電力上昇レートにしたがって増加させる制御を行う。これらの制御は、近年のインテリジェンスを有する電力制御装置の基本的機能を組み合わせることにより実現してもよい。
【００４９】
このように、燃料電池発電装置の出力について、停電直後は、コンセントで使われる電力との差をヒーターで吸収させ、その後は、所定の上昇カーブ内の範囲で、徐々に定格出力まで上昇させることにより、逆潮の確実な防止と、その後の無駄のない最適な運転状態への遷移を、円滑に実現可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】本発明の実施形態の構成を示す図。
【符号の説明】
【００５１】
１…燃料処理装置
２…燃料電池本体
２１…燃料極
２２…空気極
３…パワーコンディショナー
５１…保護回路
５２…開閉装置
６０…補機
６４…制御手段
６５…余剰電力処理用のヒーター
７…独立負荷用のコンセント
７１…検出器
【図１】
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