(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
負荷系に、燃料電池設備からの電力と電力系統系からの電力を給電するとともに、前記燃料電池設備から電力を給電する補機系を備える一方、前記燃料電池設備、前記補機系、および前記負荷系を制御する制御装置を備えた燃料電池発電システムにおいて、
前記制御装置は、
前記電力系統系から前記負荷系に給電する受電電力値を取り込む手段と、
前記電力系統系から取り込んだ前記受電電力値を基に、前記燃料電池設備から前記補機系へ給電する電力を制御する補機電力調整系と、
前記補機電力調整系より遅い制御定数が設定され、前記電力系統系から取り込んだ前記受電電力値を基に、前記燃料電池設備から前記負荷系へ給電する電力を制御する負荷調整系とを備え、
前記補機電力調整系は、
前記負荷系の消費電力が低下した場合、前記電力系統系から取り込んだ前記受電電力値と予め設定した設定値との偏差を基に演算を行う演算装置と、
前記演算装置からの演算信号に基づいて消費電力を増加させる制御指令を前記補機系に与える補機電力調整制御部とを備え、
前記負荷調整系は、
前記補機電力調整系からの前記演算信号を受け取る手段と、
前記受け取った演算信号に遅れ要素を付加する手段と、
前記遅れ要素が付加された演算信号に基づいて消費電力を増加させる制御指令を前記負荷系に与える負荷調整制御部とを備えたことを特徴とする燃料電池発電システム。
【請求項２】
前記制御装置は、前記負荷調整系より遅い制御定数が設定され、前記電力系統系から取り込んだ前記受電電力値を基に、前記燃料電池設備の発電端出力を制御する発電端出力調整系をさらに備え、
前記発電端出力調整系は、
前記負荷調整系からの前記遅れ要素が付加された演算信号を受け取る手段と、
前記受け取った演算信号に、変化率の制限を付加する変化率制限器と、
前記変化率の制限が付加された演算信号に基づいて前記発電端出力を低下させる制御指令を前記燃料電池設備に与える発電端調整制御部と備えたことを特徴とする請求項１記載の燃料電池発電システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池発電システムに係り、例えば家庭用として適用する際、電力の逆潮流を確実に防止する燃料電池発電システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、燃料の持つ化学エネルギを直接電気に変換するシステムとして燃料電池がよく知られている。
【０００３】
この燃料電池は、燃料である水素と酸化剤である酸素とを電気化学的に反応させて、直接、電気を取り出すものであり、高い効率で電気エネルギを取り出すことができると同時に、静かで有害な排ガスを出さない環境的にも優れた特性を持つシステムである。
【０００４】
ところで、今までの燃料電池は、通常、電気主任技術者クラスによる管理が前提となっているので、運用にあたり、ある程度の知識を必要としていた。また、規模的にも数十ｋｗ以上の中規模以上であり、工場等に導入して使用することが多かった。
【０００５】
しかし、最近のように、規制緩和が施行されると、小型の燃料電池の開発が活発化し、家庭用に適用する燃料電池の普及も間近になっており、その構成として図５に示すものがある。
【０００６】
家庭用の燃料電池発電システムは、燃料電池発電プラント系１と、付帯設備としての補機系２と、家庭の電気を消費する家庭用負荷系３と、電力系統系４を備えて構成されている。
【０００７】
燃料電池発電プラント系１は、燃料電池設備５と制御装置６とを備えている。
【０００８】
この燃料電池設備５は、例えば改質器等の燃料処理系７、燃料電池本体８、インバータ９、しゃ断器１０を備え、燃料処理系７に供給された燃料を水素に改質させ、改質させた水素を燃料電池本体８で酸素を加えて化学反応させ、その際に発生する電気をインバータ９で交流に変換させ、変換させた交流をしゃ断器１０、主回路線１１を介して家庭用負荷系３に給電するようになっている。
【０００９】
また、制御装置６は、補機系２、燃料電池設備５および家庭用負荷系３のそれぞれに、例えば、スケジュールに沿って出力指令だけを出す、いわゆる固定制御回路を組み込む構成になっている。
【００１０】
一方、補機系２は、ポンプ１２、貯湯槽１３、熱交換器１４を備え、貯湯槽１３の水をポンプ１２で熱交換器１４に循環させる間に、燃料電池設備５の燃料処理系７、燃料電池本体８からの熱で加温させ、温水にして給湯設備や浴場に供給するようになっている。
【００１１】
また、家庭用負荷系３は、燃料電池設備５から主回路線１１を介して給電される電気のほかに、電力系統４から電力メータ１５、しゃ断器１６を備えた連系線１７を介して給電を受ける、いわゆる買電方式と併用になっている。
【００１２】
このように、従来の家庭用の燃料電池発電システムでは、いわゆる自家発電方式と買電方式とを併用し、経済的メリットとともに排ガス汚染物質の著しく少ない環境の下、その普及が注目して見守られている。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
図５で示した家庭用の燃料電池発電システムでは、燃料電池発電プラント系１の制御装置６から燃料電池設備５、補機系２、家庭用負荷系３のそれぞれに指令を与える場合、一定あるいは時間帯に応じてスケジュール的に出力を変える、いわゆる固定制御の運用が行われている。
【００１４】
しかし、家庭用の燃料電池発電システムの場合、家庭用負荷系３の消費電力が燃料電池設備５からの給電量よりも下廻ったとき、電力系統系４側に逆潮流が発生する。
【００１５】
このとき、電力会社と「逆潮流なし」で契約している場合、逆潮流継電器が作動し、家庭用負荷系３または燃料電池設備５が電力系統系４としゃ断し、事故発生の要因になる。
【００１６】
また、逆に、「逆潮流あり」で契約している場合、逆潮流継電器が作動することがないものの、逆潮流電力により電力会社からの売電料金（ペイバック）が、通常、燃料費を大幅に下廻り、経済損失を受ける等の問題がある。
【００１７】
このため、家庭用の燃料電池発電システムを導入する場合、いかにして電力の逆潮流を防止しながら利用率を最大に維持させるか、つまり、燃料電池の出力を常に高く維持させるかが今後の開発の重要な課題になっている。
【００１８】
このような技術的意図を踏まえた発明は、未だ開示されていない。ただし、回転電機の分野では、例えば、特開平２０００−１６６１００号公報、特開平１１−２９９１１０号公報等に逆潮流防止技術が開示されているが、製品の特性上、そのまま燃料電池の分野に適用することが難しい。
【００１９】
本発明は、このような事情に基づいてなされたもので、電力の逆潮流を確実に防止させて電力利用率を最大限に維持させる運用を図った燃料電池発電システムを提供することを目的とする。
【００２０】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る燃料電池発電システムは、上述の目的を達成するために、請求項１に記載したように、負荷系に、燃料電池設備からの電力と電力系統系からの電力を給電するとともに、前記燃料電池設備から電力を給電する補機系を備える一方、前記燃料電池設備、前記補機系、および前記負荷系を制御する制御装置を備えた燃料電池発電システムにおいて、前記制御装置は、前記電力系統系から前記負荷系に給電する受電電力値を取り込む手段と、前記電力系統系から取り込んだ前記受電電力値を基に、前記燃料電池設備から前記補機系へ給電する電力を制御する補機電力調整系と、前記補機電力調整系より遅い制御定数が設定され、前記電力系統系から取り込んだ前記受電電力値を基に、前記燃料電池設備から前記負荷系へ給電する電力を制御する負荷調整系とを備え、前記補機電力調整系は、前記負荷系の消費電力が低下した場合、前記電力系統系から取り込んだ前記受電電力値と予め設定した設定値との偏差を基に演算を行う演算装置と、前記演算装置からの演算信号に基づいて消費電力を増加させる制御指令を前記補機系に与える補機電力調整制御部とを備え、前記負荷調整系は、前記補機電力調整系からの前記演算信号を受け取る手段と、
前記受け取った演算信号に遅れ要素を付加する手段と、前記遅れ要素が付加された演算信号に基づいて消費電力を増加させる制御指令を前記負荷系に与える負荷調整制御部とを備えたものである。
【００２１】
また、本発明に係る燃料電池発電システムは、上述の目的を達成するために、請求項２に記載したように、前記制御装置は、前記負荷調整系より遅い制御定数が設定され、前記電力系統系から取り込んだ前記受電電力値を基に、前記燃料電池設備の発電端出力を制御する発電端出力調整系をさらに備え、前記発電端出力調整系は、前記負荷調整系からの前記遅れ要素が付加された演算信号を受け取る手段と、前記受け取った演算信号に、変化率の制限を付加する変化率制限器と、前記変化率の制限が付加された演算信号に基づいて前記発電端出力を低下させる制御指令を前記燃料電池設備に与える発電端調整制御部と備えたものである。
【００３１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る燃料電池発電システムの実施形態を図面および図面に付した符号を引用して説明する。
【００３２】
図１は、本発明に係る燃料電池発電システムの実施形態を家庭用に適用する概略系統図である。
【００３３】
本実施形態に係る燃料電池発電システムは、燃料電池発電プラント系２０と、付帯設備としての補機系２１と、家庭の電気を消費する家庭用負荷系２２と、電力系統系２３とを備えて構成されている。
【００３４】
燃料電池発電プラント系２０は、燃料電池設備２４と制御装置２５とを備えている。
【００３５】
この燃料電池設備２４は、例えば改質器等の燃料処理系２６、燃料電池本体２７、インバータ２８、しゃ断器２９を備え、燃料処理系２６に供給された燃料を水素に改質させ、改質させた水素を燃料電池本体２７で酸素を加えて化学反応させ、その際に発生する電気をインバータ２８で交流に変換させ、変換させた交流をしゃ断器２９、主回路線２９ａを介して家庭用負荷系２２に給電するようになっている。
【００３６】
一方、補機系２１は、熱交換器３０、循環管３１、ポンプ３２、貯湯槽３３、給湯管３４、ヒータ３５ａ，３５ｂ，３５ｃを備え、貯湯槽３３の水をポンプ３２で循環管３１を介して熱交換器３０に循環させる間に、燃料電池設備２４の燃料処理系２６、燃料電池本体２７からの熱で加温させ、温水にして給湯管３４を介して給湯設備や浴場に供給するようになっている。
【００３７】
また、家庭用負荷系２２は、燃料電池設備２４から主回路線２９ａを介して給電される電気のほかに、電力系統系２３から電力メータ３６、しゃ断器３７を備えた連系線３８を介して給電を受ける、いわゆる買電方式と併用になっている。
【００３８】
また、燃料電池発電プラント系２０の制御装置２５は、電力系統系２３の連系線３８に備えた電力メータ３６に電力値信号線３６ａを介して接続し、連系線３８に電力の逆潮流が発生する兆候になると電力メータ３６から電力値信号線３６ａを介して指令を受け、燃料電池設備２４、補機系２１、家庭用負荷系２２のそれぞれに制御指令を出す構成になっている。
【００３９】
また、制御装置２５は、図２に示すように、予め逆潮流防止マージンを設定しておいて設定器３９からの出力と電力系統系２３からの電力を買受電する受電電力部４０からの出力とを比較する加減算部４１と、逆潮流の兆候があらわれたとき、図１に示した補機系２１を制御する補機電力調整系４２と、次に家庭用負荷系２２を調整する家庭用負荷調整系４３と、さらに、燃料電池設備２４のインバータ２８の出力を制御する発電端出力調整系４４とを備えて構成されている。
【００４０】
補機電力調整系４２は、ＰＩＤ演算装置４５ａ、積算部４６ａ、補機電力調整制御部４７を備え、逆潮流の兆候があらわれたとき最初に作動する構成になっている。
【００４１】
また、家庭用負荷調整系４３は、ＰＩＤ演算装置４５ｂ、積算部４６ｂ、家庭内負荷調整制御部４８を備え、上述補機電力調整系４２の調整不足をバックアップする構成になっている。
【００４２】
また、発電端出力調整系４４は、ＰＩＤ演算装置４５ｃ、積算部４６ｃ、発電端出力調整制御部４９を備え、上述補機電力調整系４２、家庭用負荷調整系４３の調整不足をバックアップする構成になっている。
【００４３】
また、補機電力調整系４２と家庭用負荷調整系４３との間には遅れ要素５０が設けられている。さらに、家庭用負荷調整系４３と発電端出力調整系４４との間には変化率制限器（レイトリミッタ）５１が設けられている。
【００４４】
なお、制御定数は、家庭内負荷調整制御部４８が最も早く、発電端出力調整制御部４９が最も遅く設定されている。
【００４５】
このような構成を備えた燃料電池発電システムの作用を説明する。
【００４６】
通常、家庭用負荷系２２の電力消費が一定の場合、図２に示した制御装置２５のうち、発電端出力調整制御部４９が、図１に示す燃料電池設備２４のインバータ２８を制御するだけで補機系２１および家庭用負荷系２２の制御を行っていない。
【００４７】
この状態から家庭用負荷系２２の電力消費が著しく低下すると、制御装置２５は、次のように作動する。
【００４８】
まず、図１で示した電力系統２３から図２に示した受電電力部４０に給電した電力値が急激に低下すると、制御装置２５は、受電電力部４０からの出力と設定器３９からの設定値とを加減算部４１で突き合わせ、その偏差を補機電力調整系４２に与える。補機電力調整系４２は、その偏差を基にＰＩＤ演算装置４５ａで比例、積分、微分のうち少なくとも一つ以上の演算を行い、積算部４６ａで積算した演算信号を補機電力調整制御部４７に与え、ここで制御指令が作り出され、その制御指令を図１に示した補機系２１に与えて制御する。具体的には、お湯を使用中であれば、給湯管３４に設けたヒータ３５ｃを制御し、電力消費を増加させる。また、給湯管３４に設けたヒータ３５ｃを使用していない場合、循環管３１に設けたヒータ３５ａまたは貯湯槽３３に設けたヒータ３５ｂを制御し、電力消費を増加させる。なお、この時点では、家庭用負荷調整系４３は、遅れ要素５０を備え、また発電端出力調整系４４は変化率制限器５１を備えているので、すぐに作動しない。
【００４９】
次に、補機系２１の電力消費を過渡的に増加させていても、逆潮流の兆候が消えないまま、電力系統系２３から連系線３８に給電する電力が予め定められた設定値に復帰していないことを電力メータ３６が検出すると、電力メータ３６は、その指令を電力値信号線３６ａを介して制御装置２５の受電電力部４０に与える。
【００５０】
受電電力部４０は、その指令信号を直接、家庭用負荷調整系４３および間接的に補機電力調整系４２および遅れ要素５０のそれぞれを介して家庭用負荷調整系４３に与え、ここで上述と同様にＰＩＤ演算装置４５ｂで演算し、その演算信号を家庭内負荷調整制御部４８に与え、ここから家庭用負荷系２２を制御する。家庭用負荷系２２は、例えば冷蔵庫を起動させて消費電力を過渡的に増加させる。
【００５１】
そして、それでも調整不十分の場合、最後に、制御装置２５は、発電端出力調整系４４の発電端出力調整制御部４９から図１に示す燃料電池設備２４のインバータ２８に制御指令を与えてインバータ２８を制御し、電力系統系２３から連系線３８への給電を予め定められた設定値に回復させる。
【００５２】
図３は、家庭用負荷系２２の電力の消費が著しく低下したとき、燃料電池発電プラント系２０の制御装置２５に組み込んだ受電電力部４０、補機電力調整制御部４７、家庭内負荷調整制御部４８、発電端出力調整制御部４９のそれぞれの挙動を対比させた線図である。
【００５３】
これらの挙動対比線図から、燃料電池設備２４の運転中、家庭用負荷系２２の電力の消費が急激に低下しても、補機系２１、家庭用負荷系２２、燃料電池設備２４の発電端、具体的にはインバータ２８が消費電力を分担して負荷・調整するので、燃料電池設備２４から電力系統系２２への電力の逆潮流を防止できることがわかった。
【００５４】
このように、本実施形態は、燃料電池発電プラント系２０の制御装置２５を電力系統系２３の連系線３８に備えた電力メータ３６に電力値信号線３６ａを介して接続させるとともに、制御装置２５に補機電力調整系４２、家庭用負荷調整系４３、発電端出力調整系４４を組み込み、家庭用負荷系２２の消費電力が著しく低下したとき、各調整系４２，４３，４４の制御指令により燃料電池設備２４から出力させる電力を過渡的に補機系２１、家庭用負荷系２２、燃料電池設備２４の発電端で消費・調整させたので、燃料電池設備２４から電力系統系２３に向う電力の逆潮流を確実に防止することができる。
【００５５】
なお、本実施形態では、電力の逆潮流防止の際、優先順位として補機系２１、家庭用負荷系２２の順に制御したが、この例に限らず、家庭内負荷の利用が簡単な場合、貯湯槽のヒータが不要の場合、あるいはその設置場所の事情により制御優先順位を入れ替えたり、変動させたくない方のロジック回路にマスクして使用してもよい。さらに、制御優先順位を季節や時間帯により入れ替えてもよい。
【００５６】
また、本実施形態は、家庭用負荷系２２の消費電力が著しく低下した場合、燃料電池設備２２の発電端を制御するロジック回路を制御装置２５に組み込んでいるが、この例に限らず、例えば、家庭用負荷系２２の消費電力上昇時、燃料電池設備２２の出力が定格まで約５分で到達できるように低速作動させるとともに、家庭用負荷系２２の消費電力低下時、燃料電池設備２２の予め定められた出力まで約１秒で到達できるように高速作動させる変化率制限器を制御装置２５に組み込んで構成を簡素化させてもよい。
【００５７】
図４は、家庭内電力消費と燃料電池設備の出力との挙動を対比させた線図である。本実施形態は、家庭用負荷系２２の消費電力上昇時、燃料電池設備２２の出力上昇を低速作動させ、家庭用負荷系２２の消費電力低下時、燃料電池設備２２の出力低下を高速作動させる変化率制限器を制御装置２５に組み込み構成を簡素化させたところ、図４に示す調査結果から家庭用負荷系２２の消費電力低下に対して燃料電池設備２４の出力低下がよく追従し、電力の逆潮流防止が行われていることが認められた。
【００５８】
【発明の効果】
以上の説明のとおり、本発明に係る燃料電池発電システムは、負荷系の消費電力が低下したとき、燃料電池設備から出力する電力を過渡的に補機系、負荷系、燃料電池設備に分担して負担・調整させる手段を備えているので、燃料電池設備から電力系統系への電力逆潮流を確実に防止して燃料電池設備に安定運転を行わせることができ、燃料電池設備の安定運転の下、その利用率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る燃料電池発電システムの実施形態を家庭用に適用する概略系統図。
【図２】本発明に係る燃料電池発電システムに適用する制御ブロック図。
【図３】本発明に係る燃料電池発電システムにおいて、受電電力部、補機電力調整制御部、家庭内負荷調整制御部、発電端出力調整制御部のそれぞれの挙動を示す挙動対比線図。
【図４】本発明に係る燃料電池発電システムにおいて、家庭内電力消費と燃料電池設備の出力との挙動を対比させた線図。
【図５】従来の燃料電池発電システムを示す概略系統図。
【符号の説明】
１  燃料電池発電プラント系
２  補機系
３  家庭用負荷系
４  電力系統系
５  燃料電池設備
６  制御装置
７  燃料処理系
８  燃料電池本体
９  インバータ
１０  しゃ断器
１１  主回路線
１２  ポンプ
１３  貯湯槽
１４  熱交換器
１５  電力メータ
１６  しゃ断器
１７  連系線
２０  燃料電池発電プラント系
２１  補機系
２２  家庭用負荷系
２３  電力系統系
２４  燃料電池設備
２５  制御装置
２６  燃料処理系
２７  燃料電池本体
２８  インバータ
２９  しゃ断器
２９ａ  主回路線
３０  熱交換器
３１  循環管
３２  ポンプ
３３  貯湯槽
３４  給湯管
３５ａ，３５ｂ，３５ｃ  ヒータ
３６  電力メータ
３６ａ  電力値信号線
３７  しゃ断器
３８  連系線
３９  設定器
４０  受電電力部
４１  加減算部
４２  補機電力調整系
４３  家庭用負荷調整系
４４  発電端出力調整系
４５ａ，４５ｂ，４５ｃ  ＰＩＤ演算装置
４６ａ，４６ｂ，４６ｃ  積算部
４７  補機電力調整制御部
４８  家庭内負荷調整制御部
４９  発電端出力調整制御部
５０  遅れ要素
５１  変化率制限器
【図１】
0004509417.tif 000002
【図２】
0004509417.tif 000003
【図３】
0004509417.tif 000004
【図４】
0004509417.tif 000005
【図５】
0004509417.tif 000006