(57)【要約】      （修正有）【課題】商用電源の停電時に、安定的に自立運転を行い、かつ装置コストの増加を抑制する。【解決手段】燃料電池発電システムは、商用電源１０５と連系した連系運転及び前記商用電源１０５の停電時に自立運転を行う。この燃料電池発電システムは、空気及び燃料ガスが供給され、発電を行う燃料電池発電装置１０と、燃料電池発電装置１０で発電した直流電力を交流電力に変換するインバータ１０１と、前記商用電源１０５の停電を検出したときに、燃料電池発電装置１０の燃料電池への空気又は燃料ガスの供給量を増やす制御部１００と、を備える。【選択図】図１
2013143212.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
商用電源と連系した連系運転及び前記商用電源の停電時に自立運転を行う燃料電池発電システムであって、
空気及び燃料ガスが供給され、発電を行う燃料電池と、
前記燃料電池で発電した直流電力を交流電力に変換するインバータと、
前記商用電源の停電を検出したときに、前記燃料電池への空気又は燃料ガスの供給量を増やす制御部と、
を備えることを特徴とする燃料電池発電システム。
【請求項２】
前記インバータに接続された第１遮断器と、
前記第１遮断器と前記商用電源との間に設けられた第２遮断器と、
をさらに備え、
前記制御部は、前記商用電源の停電を検出したときに、前記第１遮断器及び前記第２遮断器を解列し、自立運転を行うにあたり前記第１遮断器を連結することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池発電システム。
【請求項３】
前記制御部は、前記商用電源の停電からの復旧を検出したときに、前記燃料電池への空気又は燃料ガスの供給量を前記連系運転時の空気又は燃料ガスの供給量に戻すことを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池発電システム。
【請求項４】
商用電源と連系した連系運転及び前記商用電源の停電時に自立運転を行う燃料電池発電システムの運転方法であって、
燃料電池に空気及び燃料ガスを供給して直流電力を発電するステップと、
インバータにより、前記燃料電池で発電した直流電力を交流電力に変換するステップと、
前記商用電源を監視するステップと、
前記商用電源の停電を検出したときに、前記燃料電池への空気又は燃料ガスの供給量を増やすステップと、
を備えることを特徴とする燃料電池発電システムの運転方法。
【請求項５】
前記商用電源の停電からの復旧を検出したときに、前記燃料電池への空気又は燃料ガスの供給量を前記連系運転時の空気又は燃料ガスの供給量に戻すステップをさらに備えることを特徴とする請求項４に記載の燃料電池発電システムの運転方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、燃料電池発電システム及びその運転方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池発電システムは、燃料処理装置により生成された水素と酸素の結合エネルギーを直接電気エネルギーに変換するものであり、化学反応であるために発電効率が高く、汚染物質の排出が少ない環境性に優れた発電システムとして評価されている。
【０００３】
燃料電池発電システムは、燃料電池本体を内蔵するだけでなく、都市ガスやＬＰガス等に代表される炭化水素系燃料から水素ガスを取り出すための燃料処理装置、出力した直流電力を交流電力に変換する電気制御装置（インバータ）、発電に伴う発熱を回収する熱利用装置、システム全体を制御するための制御装置等を備え、一般家庭への送電を行っている。通常、燃料電池発電システムは、商用電源と連系した運転（連系運転）を行っている。
【０００４】
近年、災害等により商用電源に停電が発生した場合において、燃料電池発電システムが自ら交流電圧を発生させて運転を行い、送電を継続する自立運転の必要性が高まっている。自立運転時は、燃料電池発電システムが家庭で使用される電力を送電するため、例えばリビングの照明を点灯すると、家庭の電力使用量が増加し、燃料電池発電システムの電力出力は急上昇する。また、リビングの照明を消灯すると、家庭の電力使用量が減少し、燃料電池発電システムの電力出力は急低下する。従来の燃料電池発電システムでは、自立運転時に、このような負荷の急変に対応できず、燃料電池発電システムが発電停止となるおそれがあった。
【０００５】
燃料電池発電システムにバッテリー（安定用蓄電池）を別途設けることで、負荷の急変に対応することは出来るが、燃料電池発電システムのコスト増加と筐体の大型化を伴うという問題があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００８−１５２９５９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明が解決しようとする課題は、商用電源の停電時に、安定的に自立運転を行い、かつコスト増加を抑制できる燃料電池発電システム及びその運転方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本実施形態によれば、燃料電池発電システムは、商用電源と連系した連系運転及び前記商用電源の停電時に自立運転を行う。この燃料電池発電システムは、空気及び燃料ガスが供給され、発電を行う燃料電池と、前記燃料電池で発電した直流電力を交流電力に変換するインバータと、前記商用電源の停電を検出したときに、前記燃料電池への空気又は燃料ガスの供給量を増やす制御部と、を備える。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本実施形態に係る燃料電池発電システムの概略構成図である。
【図２】本実施形態に係る燃料電池発電装置の概略構成図である。
【図３】本実施形態に係る燃料電池発電システムの運転方法を説明するフローチャートである。
【図４】本実施形態に係る燃料電池発電システムの、連系運転時における出力電力、燃料利用率、酸素利用率の変遷の一例を示すグラフである。
【図５】本実施形態に係る燃料電池発電システムの、自立運転時における出力電力、燃料利用率、酸素利用率の変遷の一例を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
【００１１】
図１は、本実施形態に係る燃料電池発電システムの概略構成を示す。燃料電池発電システムは、燃料電池発電装置１０と、燃料電池発電装置１０から出力された直流電力を交流電力に変換するインバータ１０１と、送電遮断器１０３と、系統遮断器１０４と、燃料電池発電システムの全体を制御する制御部１００とを備えている。インバータ１０１には、半導体スイッチ等で構成されるゲート１０２が設けられている。
【００１２】
燃料電池発電システムは、電力系統（商用電源）１０５の電圧及び周波数に同期した連系運転を行う。また、燃料電池発電システムは、電力系統１０５の停電時に、自立運転を行う。
【００１３】
図２に示すように、燃料電池発電装置１０では、触媒が充填された改質器１５に、燃料ブロア１２により供給される燃料と、水タンク１３から水ポンプ１４を通じて供給される水とが混合して供給され、燃料から水素が取り出される。改質器１５には、バーナ空気ブロア１９によりバーナ空気が供給され、水素リッチなガスを取り出すために有効な温度に上昇し、以下のような改質反応が生じる。
２ＣＨ４＋３Ｈ２Ｏ  →  ７Ｈ２＋ＣＯ２＋ＣＯ  
【００１４】
改質器１５において改質反応により生じるＣＯは、ＣＯ変成器１６およびＣＯ選択酸化器１７を通過することで、数ｐｐｍレベルにまで低減する。なお、ＣＯ変成器１６では、以下のような平衡反応により、ＣＯ濃度が低減する。
２ＣＯ＋Ｈ２Ｏ  →  Ｈ２＋ＣＯ２＋ＣＯ
【００１５】
また、ＣＯ選択酸化器１７では、以下のような平衡反応により、ＣＯ濃度が数ｐｐｍレベルまで低減する。
３ＣＯ＋Ｏ２  →  ２ＣＯ２＋ＣＯ
【００１６】
ＣＯ変成器１６およびＣＯ選択酸化器１７を通過した水素リッチなガスが、燃料電池１１の燃料極に導入される。また、燃料電池１１の酸化剤極には空気ブロア１８により空気（酸素）が導入される。燃料電池１１は、図示しない電解質膜と、電解質膜を挟んで対向して設けられた燃料極及び酸化剤極とを有している。酸化剤極に空気が導入され、燃料極に水素リッチなガスが導入されると、両極における電気化学反応によって電気（直流電力）と熱エネルギーが発生する。熱エネルギーは図示しない冷却水によって回収され、直流電力は図１のインバータ１０１に供給される。
【００１７】
なお、燃料電池１１における余剰水素リッチガスは、バーナ空気ブロア１９により供給されるバーナ空気と混合されて、改質器１５に供給される。
【００１８】
図１に示すように、インバータ１０１は、燃料電池発電装置１０の燃料電池１１から出力される直流電力を交流電力に変換し、送電遮断器１０３を介して電力負荷１０６に電力を供給し、送電遮断器１０３、系統遮断器１０４を介して電力負荷１０７に電力を供給する。電力負荷１０６は、電力系統１０５の停電時に、燃料電池発電システムの自立運転により電力を供給する負荷である。電力負荷１０６は、例えば災害情報を取得するためのパソコン、テレビ、生活のための照明などである。一方、電力負荷１０７は、電力負荷１０５の停電時に自立運転する燃料電池発電システムから電力が供給されない負荷である。
【００１９】
制御部１００は、電力系統１０５の監視を行うとともに、ゲート１０２、送電遮断器１０３、及び系統遮断器１０４の解列／連結の切り替えを行う。例えば、制御部１００は、電力系統１０５の停電を検知すると、ゲート１０２、送電遮断器１０３、及び系統遮断器１０４を解列し、ゲートブロックを行い、その後、ゲート１０２を閉じてゲートブロックを解除し、燃料電池発電システムがアイドル運転を行うようにする。ここで、アイドル運転とは、自己電力供給のためだけの運転状態をいう。
【００２０】
また、制御部１００は、電力系統１０５の停電中に、電力負荷１０６の電源オンを検知したり、ユーザから電力供給を要求されたりした際に、送電遮断器１０３を接続し、燃料電池発電装置１０により発電された電力が電力負荷１０６に供給されるようにし、燃料電池発電システムが自立運転を行うようにする。制御部１００は、燃料電池発電システムが自立運転を行う際に、燃料電池発電装置１０に供給される燃料ガス（水素リッチな改質ガス）及び／又は空気の流量を、連系運転時と比較して、増やす。具体的には、制御部１００は燃料ブロア１０２及び／又は空気ブロア１０８を制御し、燃料ガス及び／又は空気の供給量を増やす。
【００２１】
燃料ガス及び／又は空気の流量を増やすことで、燃料電池発電装置１０における燃料利用率／酸素利用率が下がり、電力負荷１０６の使用電力が急変しても、燃料利用率／酸素利用率が許容上限を超えることを防止できる。ここで、燃料利用率は燃料を発電に消費する割合をいい、酸素利用率は空気中の酸素を発電に消費する割合をいう。
【００２２】
また、制御部１００は、電力系統１０５が停電から復帰した場合、系統遮断器１０４を接続して、燃料電池発電システムが連系運転を行うようにする。また、この時、制御部１００は、燃料電池発電装置１０に供給される燃料ガス及び／又は空気の流量を、自立運転時と比較して、減らす。すなわち、電力系統１０５が通常状態のときに燃料電池発電装置１０に供給されていた燃料ガス及び／又は空気の流量に戻す。
【００２３】
次に、図３に示すフローチャートを用いて、電力系統１０５の停電発生から停電復旧までの燃料電池発電システムの運転方法を説明する。
【００２４】
（ステップＳ１０１）電力系統１０５が通常状態のとき、燃料電池発電システムは、電力系統１０５の電圧及び周波数に同期した連系運転を行う。図４は、燃料電池発電システムの、連系運転時における出力電力、燃料利用率、酸素利用率の変遷の一例を示している。図４に示すように、連系運転時は、燃料利用率および酸素利用率の許容上限（図中一点鎖線）付近で発電を行っていることがわかる。これは、電力負荷１０６、１０７に対して電力系統１０５からも給電を行い、使用電力のばらつきに対応できることで、燃料電池発電システムの出力制御をゆるやかに行っているためである。許容上限にする理由は、燃料使用量を抑えることにより発電効率を高く維持することができるためである。
【００２５】
（ステップＳ１０２）電力系統１０５に停電が発生した場合はステップＳ１０３に進む。
【００２６】
（ステップＳ１０３）制御部１００が、ゲート１０２を開きゲートブロックを行う。
【００２７】
（ステップＳ１０４）制御部１００が、送電遮断器１０３及び系統遮断器１０４を解列する。
【００２８】
（ステップＳ１０５）制御部１００が、ゲート１０２を接続し、ゲートブロックを解除する。これにより、燃料電池発電システムはアイドル運転を行う。
【００２９】
（ステップＳ１０６）電力負荷１０６に電力を供給する場合はステップＳ１０７へ進む。
【００３０】
（ステップＳ１０７）制御部１００が、送電遮断器１０３を接続する。これにより、燃料電池発電システムは自立運転を行う。
【００３１】
なお、このとき、制御部１００は、燃料電池発電装置１０に供給される燃料ガス及び／又は空気の流量を増やす。自立運転時は、電力負荷１０６のオン／オフ動作が燃料電池発電装置１０の運転に直接影響する。
【００３２】
図５は、連系運転からアイドル運転を経て自立運転となった場合における、出力電力、燃料利用率、酸素利用率の変遷の一例を示している。図４に示す連系運転時とは異なり、自立運転時は、電力負荷１０６のオン／オフ動作の影響により、安定した燃料利用率および酸素利用率とならない。燃料電池発電装置１０に供給される燃料ガス及び／又は空気の流量が連系運転時と同じである場合、電力負荷１０６の使用電力が急上昇すると、燃料利用率や酸素利用率が許容限界を超え、燃料電池発電装置１０での発電が停止する。しかし、本実施形態では、自立運転時に、燃料電池発電装置１０に供給される燃料ガス及び／又は空気の流量を増やすことで、燃料利用率及び酸素利用率に余裕を持たせ、電力負荷１０６の使用電力が急上昇しても、燃料利用率及び酸素利用率が許容限界を超えることを防止し、自立運転を安定継続することができる。
【００３３】
（ステップＳ１０８）電力系統１０５が停電から復旧した場合はステップＳ１０９に進む。
【００３４】
（ステップＳ１０９）制御部１００が、ゲート１０２を開きゲートブロックを行う。
【００３５】
（ステップＳ１１０）インバータ１０１が、電力系統１０５の電圧及び周波数に同期した交流電力を出力する。
【００３６】
（ステップＳ１１１）制御部１００が、ゲート１０２を接続し、ゲートブロックを解除する。
【００３７】
（ステップＳ１１２）制御部１００が、系統遮断器１０４を接続する。これにより、燃料電池発電システムの連系運転が再開される。
【００３８】
このように、本実施形態によれば、自立運転時に燃料電池発電装置１０に供給される燃料ガス及び／又は空気の流量を増やすことで、電力負荷１０６の使用電力が急変しても、燃料利用率及び酸素利用率が許容限界を超えることを防止し、自立運転を安定継続することができる。従って、商用電源の停電時に、安定的に自立運転を行うことができる。また、バッテリーを別途設ける必要がないため、装置コストの増加を抑制することができる。
【００３９】
上記実施形態では、送電遮断器１０３、系統遮断器１０４の接続を制御部１００が行っていたが、これらをブレーカ等で構成し、ユーザが接続できるようにしてもよい。
【００４０】
なお、上記実施形態において、燃料ガス及び／又は空気の流量を増やすことは、燃料極に導入される水素及び／又は酸化剤極に導入される酸素の流量を増やすことであることは言うまでもない。
【００４１】
本発明の実施形態を説明したが、この実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。この新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。この実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００４２】
１０  燃料電池発電装置
１１  燃料電池
１２  燃料ブロア
１３  水タンク
１４  水ポンプ
１５  改質器
１６  ＣＯ変成器
１７  ＣＯ選択酸化器
１８  空気ブロア
１９  バーナ空気ブロア
１００  制御部
１０１  インバータ
１０２  ゲート
１０３  送電遮断器
１０４  系統遮断器
１０５  電力系統
１０６、１０７  電力負荷
【図１】
2013143212.tif 000003
【図２】
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【図３】
2013143212.tif 000005
【図４】
2013143212.tif 000006
【図５】
2013143212.tif 000007