JP2009181824A - Fuel cell system - Google Patents
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Abstract
【課題】燃料電池システムにおいて、システムの大型化・コスト高を招くことなく、起動時および／または停止制御時の補機の消費電力を測定する。
【解決手段】燃料電池システムは、燃料電池１１から出力される直流電圧を入力し所定の交流電圧に変換して交流の系統電源１２および外部電力負荷１９に接続されている電源ライン１３に出力する第１機能と、系統電源１２からの交流電圧を電源ライン１３を介して入力し所定の直流電圧に変換して補機１４に出力する第２機能とを有する電力変換装置１５を備えている。電力変換装置１５は、燃料電池１１から入力した電力を変換して電源ライン１３に出力する出力電力を測定する電力測定手段１５ｅを有し、該電力測定手段１５ｅは、燃料電池システムの起動時および／または停止制御時に、系統電源１２から入力した電力を変換して補機１４に消費電力として出力する補機消費電力をも測定する。
【選択図】 図１In a fuel cell system, power consumption of an auxiliary device at the time of start-up and / or stop control is measured without increasing the size and cost of the system.
A fuel cell system receives a DC voltage output from a fuel cell 11, converts it to a predetermined AC voltage, and outputs the AC voltage to a power line 13 connected to an AC system power supply 12 and an external power load 19. A power conversion device 15 having a first function and a second function of inputting an AC voltage from the system power supply 12 through the power supply line 13 to convert it to a predetermined DC voltage and outputting it to the auxiliary machine 14 is provided. The power conversion device 15 includes power measurement means 15e that converts the power input from the fuel cell 11 and measures the output power output to the power supply line 13. The power measurement means 15e is used when the fuel cell system is started up and At the time of stop control, auxiliary power consumption that is converted from power input from the system power supply 12 and output to the auxiliary machine 14 as power consumption is also measured.
[Selection] Figure 1
Description
本発明は、燃料電池システムに関する。 The present invention relates to a fuel cell system.
燃料電池システムの一形式として、特許文献１に示されているものが知られている。特許文献１の図７に示されているように、燃料電池システム２４は発電及び熱回収を行う燃料電池発電装置２６と、燃料電池発電装置２６で発電した直流を交流に変換して系統連系出力するインバータ２５と、燃料電池システム２４による発電電力を監視する系統電力モニター手段１６と、を具備している。この燃料電池システムは燃料電池に燃料を供給するためのポンプ、電磁弁、これらを制御するための制御装置などの補機（図示省略）を具備している。
ところで、燃料電池システムの起動時や停止制御時の消費電力すなわち補機の消費電力を測定することは、燃料電池システムの性能指標の一つである省エネルギー性を評価するために必要である。燃料電池システムの起動時や停止制御時において、補機は燃料電池発電装置２６からでなく商用電源５から電力供給を受けるのが一般的である。しかし、上述した特許文献１に記載されている燃料電池システムにおいて、系統電力モニター手段１６を使用して補機の消費電力を測定するのは可能であるが、系統電力モニター手段１６を別途設けるため、システムの大型化・コスト高となる。 By the way, it is necessary to measure the power consumption at the time of start-up and stop control of the fuel cell system, that is, the power consumption of the auxiliary machine, in order to evaluate the energy saving property which is one of the performance indexes of the fuel cell system. When starting or stopping the fuel cell system, the auxiliary machine is generally supplied with power from the commercial power source 5 instead of from the fuel cell power generator 26. However, in the fuel cell system described in Patent Document 1 described above, it is possible to measure the power consumption of the auxiliary equipment using the system power monitoring means 16, but the system power monitoring means 16 is provided separately. , Increase system size and cost.
本発明は、上述した問題を解消するためになされたもので、燃料電池システムにおいて、システムの大型化・コスト高を招くことなく、起動時および／または停止制御時の補機の消費電力を測定することを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described problems. In the fuel cell system, the power consumption of the auxiliary device at the time of starting and / or stopping control is measured without incurring an increase in size and cost of the system. The purpose is to do.
上記の課題を解決するため、請求項１に係る発明の構成上の特徴は、燃料ガスと酸化剤ガスとにより発電して外部電力負荷に出力する燃料電池を備えた燃料電池システムであって、燃料電池システムを起動、発電、停止させるための補機と、燃料電池から出力される直流電圧を入力し所定の交流電圧に変換して交流の系統電源および外部電力負荷に接続されている電源ラインに出力する第１機能と、系統電源からの交流電圧を電源ラインを介して入力し所定の直流電圧に変換して補機に出力する第２機能と、燃料電池からの直流電圧を入力し所定の直流電圧に変換して補機に出力する第３機能と、を有する電力変換装置と、を備え、電力変換装置は、燃料電池から入力した電力を変換して電源ラインに出力する出力電力を測定する電力測定手段を有し、該電力測定手段は、燃料電池システムの起動時および／または停止制御時に、系統電源から入力した電力を変換して補機に消費電力として出力する補機消費電力をも測定することである。 In order to solve the above-mentioned problem, the structural feature of the invention according to claim 1 is a fuel cell system including a fuel cell that generates power using fuel gas and oxidant gas and outputs the fuel cell to an external power load. Auxiliary equipment for starting, generating, and stopping the fuel cell system, and a power line connected to an AC system power supply and an external power load by inputting a DC voltage output from the fuel cell and converting it to a predetermined AC voltage The first function to output to the power supply, the second function to input the AC voltage from the system power supply through the power supply line, convert it to a predetermined DC voltage and output it to the auxiliary machine, and the DC voltage from the fuel cell to be input A power converter having a third function that converts the output power to a DC voltage and outputs the output power to the auxiliary machine, the power converter converts the power input from the fuel cell and outputs the output power to the power line Power measuring hand to measure The power measuring means also measures auxiliary power consumption that converts power input from the system power source and outputs it as auxiliary power when the fuel cell system is started and / or stopped. It is.
また請求項２に係る発明の構成上の特徴は、請求項１において、電力変換装置は、燃料電池から出力される直流電圧を入力し所定の直流電圧に変換するとともに、該変換された電圧を補機に出力可能であるＤＣ／ＤＣコンバータと、ＤＣ／ＤＣコンバータから出力される直流電圧を入力し交流電圧に変換して電源ラインに出力し、および系統電源からの交流電圧を電源ラインを介して入力し所定の直流電圧に変換して補機に出力するＤＣ／ＡＣインバータと、を備え、ＤＣ／ＡＣインバータが電力測定手段を有することである。 Further, the structural feature of the invention according to claim 2 is that, in claim 1, the power conversion device receives the DC voltage output from the fuel cell, converts the DC voltage to a predetermined DC voltage, and converts the converted voltage to A DC / DC converter that can be output to an auxiliary machine, a DC voltage output from the DC / DC converter, is input and converted to an AC voltage and output to the power line, and an AC voltage from the system power supply is passed through the power line. And a DC / AC inverter that converts it into a predetermined DC voltage and outputs it to an auxiliary machine, and the DC / AC inverter has power measuring means.
上記のように構成した請求項１に係る発明においては、電力変換装置は、燃料電池から入力した電力を変換して電源ラインに出力する出力電力を測定する電力測定手段を有し、該電力測定手段は、燃料電池システムの起動時および／または停止制御時に、系統電源から入力した電力を変換して補機に消費電力として出力する補機消費電力をも測定する。これにより、電力変換装置が有する電力測定手段を使用して、燃料電池システムの起動時および／または停止制御時の補機消費電力を測定することができるので、専用の電力測定手段を別途設けないで、システムの大型化・コスト高を招くことなく、起動時および／または停止制御時の補機の消費電力を測定することができる。 In the invention according to claim 1 configured as described above, the power conversion device includes power measuring means for converting the power input from the fuel cell and measuring the output power output to the power supply line, the power measurement The means also measures the auxiliary machine power consumption that is converted from the power input from the system power source and output to the auxiliary machine as the power consumption when the fuel cell system is started and / or stopped. As a result, the power consumption of the power conversion device can be used to measure the auxiliary machine power consumption during start-up and / or stop control of the fuel cell system, so that no dedicated power measurement means is provided. Thus, it is possible to measure the power consumption of the auxiliary machine at the start and / or stop control without incurring an increase in system size and cost.
上記のように構成した請求項２に係る発明においては、電力変換装置は、燃料電池から出力される直流電圧を入力し所定の直流電圧に変換するとともに、該変換された電圧を補機に出力可能であるＤＣ／ＤＣコンバータと、ＤＣ／ＤＣコンバータから出力される直流電圧を入力し交流電圧に変換して電源ラインに出力し、および系統電源からの交流電圧を電源ラインを介して入力し所定の直流電圧に変換して補機に出力するＤＣ／ＡＣインバータと、を備え、ＤＣ／ＡＣインバータが電力測定手段を有するので、簡単な構成で電力変換装置を構成し、システムを小型化・低コスト化することができる。 In the invention according to claim 2 configured as described above, the power conversion device receives the DC voltage output from the fuel cell, converts the DC voltage to a predetermined DC voltage, and outputs the converted voltage to the auxiliary machine. Possible DC / DC converter, DC voltage output from DC / DC converter is input, converted to AC voltage and output to power line, and AC voltage from system power supply is input via power line DC / AC inverter that converts to a DC voltage and outputs to the auxiliary machine, and since the DC / AC inverter has power measuring means, the power converter is configured with a simple configuration, and the system is downsized and reduced Cost can be increased.
以下、本発明による燃料電池システムの一実施の形態について図面を参照して説明する。図１は燃料電池システムの構成を示す構成ブロック図である。この燃料電池システムは、燃料電池１１、電源ライン１３、補機１４、インバータシステム（電力変換装置）１５、整流回路１６、燃料電池システム制御装置１７、補機用電源基板１８、改質器２１から構成されている。
Hereinafter, an embodiment of a fuel cell system according to the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a block diagram showing the configuration of the fuel cell system. This fuel cell system includes a fuel cell 11, a
燃料電池１１は、燃料ガス（水素ガスを含む）および酸化剤ガス（酸素を含む空気）が供給されて水素と酸素の化学反応により発電して直流電圧を外部電力負荷（以下、電力負荷という。）１９に対して出力するものである。この燃料電池１１は、複数のセルの積層で形成されている。各セルは電気的に直列に接続されている。 The fuel cell 11 is supplied with a fuel gas (including hydrogen gas) and an oxidant gas (air containing oxygen), generates power through a chemical reaction between hydrogen and oxygen, and generates a DC voltage as an external power load (hereinafter referred to as a power load). ) 19 is output. The fuel cell 11 is formed by stacking a plurality of cells. Each cell is electrically connected in series.
改質器２１は、改質用燃料を水蒸気改質し、水素リッチな改質ガス（燃料ガス）を燃料電池１１に供給するものであり、バーナ（燃焼部）、改質部、一酸化炭素シフト反応部（以下、ＣＯシフト部という）および一酸化炭素選択酸化反応部（以下、ＣＯ選択酸化部という）から構成されている。改質用燃料としては天然ガス、ＬＰＧ、灯油、ガソリン、メタノールなどがある。
The
バーナは、燃料電池システムの起動運転時に外部から燃焼用燃料および燃焼用空気が供給され、または定常運転時に燃料電池１１の燃料極からアノードオフガス（燃料電池に供給され使用されずに排出された改質ガス）が供給され、供給された各可燃性ガス（燃焼用燃料（燃料ガス）、アノードオフガス）を燃焼して燃焼ガスを改質部に導出するものである。 The burner is supplied with combustion fuel and combustion air from the outside during the start-up operation of the fuel cell system, or the anode off-gas (removed without being used and supplied to the fuel cell from the fuel electrode of the fuel cell 11 during steady operation). Gas) is supplied, and each supplied combustible gas (combustion fuel (fuel gas), anode off gas) is combusted and the combustion gas is led to the reforming section.
改質部は、外部から供給された改質用燃料に蒸発器からの水蒸気（改質水）を混合した混合ガスを改質部に充填された触媒により改質して水素ガスと一酸化炭素ガスを生成している（いわゆる水蒸気改質反応）。これと同時に、水蒸気改質反応にて生成された一酸化炭素と水蒸気を水素ガスと二酸化炭素とに変成している（いわゆる一酸化炭素シフト反応）。これら生成されたガス（いわゆる改質ガス）はＣＯシフト部に導出される。 The reforming unit reforms a mixed gas, which is a mixture of reforming fuel supplied from the outside and water vapor (reformed water) from an evaporator, with a catalyst charged in the reforming unit to reform hydrogen gas and carbon monoxide. Gas is generated (so-called steam reforming reaction). At the same time, carbon monoxide and steam generated by the steam reforming reaction are converted into hydrogen gas and carbon dioxide (so-called carbon monoxide shift reaction). These generated gases (so-called reformed gas) are led to the CO shift section.
ＣＯシフト部は、この改質ガスに含まれる一酸化炭素と水蒸気をその内部に充填された触媒により反応させて水素ガスと二酸化炭素ガスとに変成している。これにより、改質ガスは一酸化炭素濃度が低減されてＣＯ選択酸化部に導出される。 The CO shift part is converted into hydrogen gas and carbon dioxide gas by reacting carbon monoxide and water vapor contained in the reformed gas with a catalyst filled therein. As a result, the reformed gas is led to the CO selective oxidation unit with a reduced carbon monoxide concentration.
ＣＯ選択酸化部は、改質ガスに残留している一酸化炭素と外部からさらに供給されたＣＯ浄化用の空気とをその内部に充填された触媒により反応させて二酸化炭素を生成している。これにより、改質ガスは一酸化炭素濃度がさらに低減されて（１０ｐｐｍ以下）燃料電池１１の燃料極に導出される。 The CO selective oxidation unit generates carbon dioxide by reacting carbon monoxide remaining in the reformed gas with CO purification air further supplied from the outside using a catalyst filled therein. Thus, the reformed gas is led to the fuel electrode of the fuel cell 11 with the carbon monoxide concentration further reduced (10 ppm or less).
系統電源（または商用電源）１２は、該系統電源１２に接続された電源ライン１３を介して電力負荷１９に電力を供給するものである。燃料電池１１はインバータシステム１５を介して電源ライン１３に接続されている。電力負荷１９は、交流電源で駆動される負荷であり、例えばドライヤ、冷蔵庫、テレビなどの電化製品である。
The system power supply (or commercial power supply) 12 supplies power to the
補機１４は、改質器２１に改質用燃料、水、空気を供給するためのモータ駆動のポンプおよび電磁式バルブ、燃料電池１１に空気を供給するためのモータ駆動のポンプ、燃料電池１１に改質ガス、空気（酸素）を供給するための電磁式バルブなどから構成されている。この補機１４は直流電圧にて駆動されるものであり、その駆動電圧は補機用電源基板１８から供給されるようになっている。
The
インバータシステム（電力変換装置）１５は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１５ａ、ＤＣ／ＡＣインバータ１５ｂ、系統連系インバータ制御装置１５ｃ、およびインバータ用電源ＤＣ／ＤＣコンバータ１５ｄを備えている。
The inverter system (power conversion device) 15 includes a DC /
ＤＣ／ＤＣコンバータ（コンバータ）１５ａは、燃料電池１１から出力される直流電圧（例えば４０Ｖ）を入力し所定の直流電圧（例えば３５０Ｖ）に変換して出力するものである。ＤＣ／ＤＣコンバータ１５ａは、本燃料電池システムを運転させるための上述した補機１４に、燃料電池１１から入力した直流電圧を所定の直流電圧に変換して出力するものである。ＤＣ／ＤＣコンバータ１５ａは、例えばトランスを構成要素として構成され入力側と出力側が絶縁されている絶縁型であることが好ましい。
The DC / DC converter (converter) 15a receives a DC voltage (for example, 40V) output from the fuel cell 11, converts it to a predetermined DC voltage (for example, 350V), and outputs it. The DC /
ＤＣ／ＡＣインバータ（インバータ）１５ｂは、ＤＣ／ＤＣコンバータ１５ａから出力される直流電圧（例えば３５０Ｖ）を入力し交流電圧（例えば２００Ｖ）に変換して電源ライン１３に出力し、かつ電源ライン１３から入力した交流電圧（例えば２００Ｖ）を所定の直流電圧（例えば３５０Ｖ）に変換して補機用電源基板１８を介して補機１４に出力するものである。このように、ＤＣ／ＡＣインバータ１５ｂは、直流を交流に変換する機能と、交流を直流に変換する機能とを有している。
The DC / AC inverter (inverter) 15b receives the DC voltage (for example, 350V) output from the DC /
ＤＣ／ＡＣインバータ１５ｂは、燃料電池１１から入力した電力を変換して電源ライン１３に出力する出力電力を測定する電力測定装置（電力測定手段）１５ｅを有している。該電力測定装置１５ｅは、燃料電池システムの起動時および／または停止制御時に、系統電源１２から電源ライン１３を介して入力した電力を変換して補機１４に消費電力として出力する補機消費電力も測定するものである。すなわち、インバータシステム１５は、燃料電池システムの起動時および／または停止制御時に補機１４の消費電力を測定する電力測定装置１５ｅを有している。
The DC /
本実施の形態では、ＤＣ／ＡＣインバータ１５ｂは、直流を交流に変換する機能と交流を直流に変換する機能の両機能を内蔵した一つの機器で構成しているが、それぞれの機能を別の機器で構成するようにしてもよい。この場合、電力測定装置１５ｅは、それぞれ別の機器に予め備えられていることが望ましい。
In the present embodiment, the DC /
上述したように、インバータシステム１５は、燃料電池１１から出力される直流電圧を入力し所定の交流電圧に変換して交流の系統電源１２および外部電力負荷１９に接続されている電源ライン１３に出力する第１機能と、系統電源１２からの交流電圧を電源ライン１３を介して入力し所定の直流電圧に変換して補機１４に出力する第２機能と、燃料電池１１からの直流電圧を入力し所定の直流電圧に変換して補機１４に出力する第３機能と、を有している。
As described above, the
系統連系インバータ制御装置１５ｃは、ＤＣ／ＤＣコンバータ１５ａ、ＤＣ／ＡＣインバータ１５ｂの駆動、インバータ接続器３１、系統接続器３３のオン・オフを制御するものである。この系統連系インバータ制御装置１５ｃは、燃料電池システム制御装置１７と互いに通信可能に接続されており、燃料電池システム制御装置１７の指示にしたがってＤＣ／ＤＣコンバータ１５ａ、ＤＣ／ＡＣインバータ１５ｂの駆動、インバータ接続器３１、系統接続器３３のオン・オフを制御する。
The grid interconnection inverter control device 15c controls the driving of the DC /
系統連系インバータ制御装置１５ｃは、電力測定装置１５ｅが接続されており、電力測定装置１５ｅからの検出信号（電力測定値）が入力されるようになっている。系統連系インバータ制御装置１５ｃは、電力測定値を燃料電池システム制御装置１７に送信するようになっている。燃料電池システム制御装置１７は、起動時や停止制御時には電力測定値に基づいて起動時や停止制御時の消費電力を算出している。
The grid interconnection inverter control device 15c is connected to a
インバータ用電源ＤＣ／ＤＣコンバータ１５ｄは、ＤＣ／ＤＣコンバータ１５ａ、ＤＣ／ＡＣインバータ１５ｂまたは整流回路１６からの直流電圧を入力して所定の直流電圧に変換して、ＤＣ／ＤＣコンバータ１５ａとＤＣ／ＡＣインバータ１５ｂと系統連系インバータ制御装置１５ｃに電源電圧（駆動電圧）として供給するものである。
The inverter power supply DC /
整流回路１６は、電源ライン１３と補機１４との間にＤＣ／ＡＣインバータ１５ｂに並列に設けられ、電源ライン１３からの交流電圧を整流して直流電圧に変換して補機１４に供給可能なものである。例えば、整流回路１６は、整流素子である４つのダイオードから構成され、ダイオードブリッジ回路から構成されている。トランスと組み合わせてもよく、平滑化のため抵抗、コンデンサ、コイルなどと組み合わせてもよい。
The
燃料電池システム制御装置１７は、燃料電池システムの全体的な制御を一括集中して行うものであり、燃料電池１１や改質器２１を制御したり、補機１４の駆動を制御したり、インバータシステム１５の駆動を制御したり、補機用電源基板１８を制御したりする。燃料電池システム制御装置１７は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１５ａ、ＤＣ／ＡＣインバータ１５ｂおよび整流回路１６に接続されているので、燃料電池システム制御装置１７には、待機時でも運転時（起動時（起動制御時）、発電時、停止制御時を含む。）でも常に電圧が供給されている。起動時は起動指令が出てから発電開始するまでの間であり、停止制御時は、停止指令が出てからシステムが停止するまでの間である。待機時は、燃料電池システムの発電停止状態のことであり、発電指示（スタートスイッチのオンなど）を待っている状態のことである。
The fuel cell system control device 17 collectively controls the entire fuel cell system. The fuel cell system control device 17 controls the fuel cell 11 and the
補機用電源基板１８は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１５ａ、ＤＣ／ＡＣインバータ１５ｂおよび整流回路１６に接続されており、ＤＣ／ＤＣコンバータ１５ａ、ＤＣ／ＡＣインバータ１５ｂまたは整流回路１６からの直流電圧を入力して所定の直流電圧（例えば２４Ｖ）に変換して、補機１４に電源電圧として供給するものである。補機用電源基板１８は、燃料電池システム制御装置１７の指令によって制御されている。
The auxiliary machine
さらに、燃料電池システムは、燃料電池１１とＤＣ／ＤＣコンバータ１５ａとの間に設けられたインバータ接続器３１、およびＤＣ／ＡＣインバータ１５ｂと電源ライン１３との間に設けられた系統接続器３３をさらに備えている。
Further, the fuel cell system includes an
インバータ接続器３１は、燃料電池１１とＤＣ／ＤＣコンバータ１５ａとを連通・遮断（オン・オフ）するものであり、系統連系インバータ制御装置１５ｃに接続されその指示によってオン・オフ制御されるものである。系統接続器３３はＤＣ／ＡＣインバータ１５ｂと電源ライン１３とを連通・遮断（オン・オフ）するものであり、系統連系インバータ制御装置１５ｃに接続されその指示によってオン・オフ制御されるものである。電圧計３２は、燃料電池１１の出力電圧を測定するものであり、測定結果を接続されている系統連系インバータ制御装置１５ｃに出力している。
The
電源ライン１３には、系統電源１２に対する電力の入出力および電力量を検知する電力センサ１３ａが設けられており、その検知結果が系統電力測定部１３ｂに出力されている。系統電力測定部１３ｂは、燃料電池システム制御装置１７に接続されており、潮流・逆潮流、その電力量を燃料電池システム制御装置１７に出力している。
The
このように構成された燃料電池システムの作動について図２を参照して説明する。燃料電池システム制御装置１７は、待機時（起動時、発電時、停止制御時でない状態）には、インバータ接続器３１および系統接続器３３はオフしたままである（ステップ１０２）。このとき、整流回路１６は系統電源１２に接続されているので、系統電源１２の電力は整流回路１６を通して補機用電源基板１８に供給され降圧されて燃料電池システム制御装置１７および補機１４に供給されるとともに、インバータ用電源ＤＣ／ＤＣコンバータに供給され降圧されて系統連系インバータ制御装置１５ｃ、ＤＣ／ＤＣコンバータ１５ａ、ＤＣ／ＡＣインバータ１５ｂに供給されている。
The operation of the fuel cell system configured as described above will be described with reference to FIG. In the fuel cell system control device 17, the
このとき、燃料電池システム制御装置１７および系統連系インバータ制御装置１５は電圧の供給により駆動状態（待機状態）にある。補機１４、ＤＣ／ＤＣコンバータ１５ａ、ＤＣ／ＡＣインバータ１５ｂに電圧は供給可能（印加）となっている。しかし、補機１４は燃料電池システム制御装置１７から駆動指令が来ていないので、駆動（作動）されないし、ＤＣ／ＤＣコンバータ１５ａ、ＤＣ／ＡＣインバータ１５ｂも系統連系インバータ制御装置１５ｃから駆動指令が来ていないので、駆動（作動）されない。
At this time, the fuel cell system control device 17 and the grid interconnection
燃料電池システム制御装置１７は、図示しないスタートスイッチのオンや、予め設定された運転計画により起動運転開始指示を受けると、起動運転を開始する（ステップ１０４）。起動運転が開始されると、燃料電池システム制御装置１７は、ステップ１０６において、起動運転開始の指令を系統連系インバータ制御装置１５ｃに送信する。
When the start switch (not shown) is turned on or a start operation start instruction is received according to a preset operation plan, the fuel cell system control device 17 starts the start operation (step 104). When the start-up operation is started, the fuel cell system control device 17 transmits a start-up operation start command to the grid interconnection inverter control device 15c in
系統連系インバータ制御装置１５ｃは、系統接続器３３をオンして（閉じて）ＤＣ／ＡＣインバータ１５ｂと電源ライン１３を接続するとともに、ＤＣ／ＡＣインバータ１５ｂを作動させる。
The grid interconnection inverter control device 15c turns on (closes) the
これにより、電源ライン１３（系統電源１２）からの電力が、ＤＣ／ＡＣインバータ１５ｂでスイッチングされ電圧と電流の位相が整えられ力率改善されて補機用電源基板１８ひいては補機１４に供給されるとともに、インバータ用電源ＤＣ／ＤＣコンバータ１５ｄひいてはＤＣ／ＤＣコンバータ１５ａ、ＤＣ／ＡＣインバータ１５ｂに供給される。補機１４は、この供給される電力によって駆動する。なお、燃料電池システム制御装置１７にも電力が供給される。
As a result, the power from the power supply line 13 (system power supply 12) is switched by the DC /
このとき、整流回路１６で整流された電圧は約ＤＣ２８０Ｖである。ＤＣ／ＡＣインバータ１５ｂで整流された電圧は約ＤＣ３５０Ｖであり、整流回路１６で整流された電圧より高い電圧となるため、ＤＣ／ＡＣインバータ１５ｂの力率改善した整流機能が動作し、整流回路１６は停止した状態となる。したがって、系統電源１２からの電力は、整流回路１６経由でなくＤＣ／ＡＣインバータ１５ｂ経由で補機用電源基板１８ひいては燃料電池システム制御装置１７および補機１４に供給される。
At this time, the voltage rectified by the
燃料電池システム制御装置１７は、ステップ１０８において、燃料電池システムの起動運転（発電準備運転であり、起動時と同義である。）に必要な補機１４を動作させる。例えば、改質用燃料、水（改質水）、空気（燃焼用空気、ＣＯ浄化用空気、燃料電池への空気）を供給するためのポンプや電磁弁を動作させる。
In
さらに、燃料電池システム制御装置１７は、ステップ１１０において、系統連系インバータ制御装置１５ｃが電力測定装置１５ｅによって測定した電力を入力する。この入力した電力値が、燃料電池システムの起動時での補機１４で消費される電力（補機消費電力）である。なぜなら、補機１４で消費される電力は、すべてＤＣ／ＡＣインバータ１５ｂ経由で系統電源１２から供給されているからである。
Further, in
このような発電準備中（起動運転中）において、燃料電池システム制御装置１７は、発電準備が完了したか否かを判定する（ステップ１１２）。この判定は、改質器２１の所定部位（ＣＯシフト部、ＣＯ選択酸化部内の温度）の温度の検出結果、改質器２１から導出される改質ガスの一酸化炭素濃度の検出結果などに基づいて行われ、その改質ガス中の一酸化炭素が燃料電池１１を被毒しない低濃度であれば発電準備が完了したと判定するものである。
During such power generation preparation (during start-up operation), the fuel cell system control device 17 determines whether or not power generation preparation has been completed (step 112). This determination is based on the detection result of the temperature of a predetermined portion (the temperature in the CO shift unit and the CO selective oxidation unit) of the
発電準備が完了したと判定すると（ステップ１１２で「ＹＥＳ」）、燃料電池システム制御装置１７からの指令によって系統連系インバータ制御装置１５ｃは、インバータ接続器３１をオンして（閉じて）燃料電池１１とＤＣ／ＤＣコンバータ１５ａを接続する（ステップ１１４）。さらに、系統連系インバータ制御装置１５ｃは、ＤＣ／ＡＣインバータ１５ｂを作動させ、燃料電池１１の電力をＤＣ／ＤＣコンバータ１５ａ、ＤＣ／ＡＣインバータ１５ｂを通して電力負荷１９に供給するようになっている。これにより、燃料電池システムは発電運転が開始される。
If it is determined that the preparation for power generation is completed (“YES” in step 112), the grid-connected inverter control device 15c turns on (closes) the
燃料電池システム制御装置１７は、ステップ１１６において、発電運転（定常運転）を実施する。燃料電池システム制御装置１７は、発電運転中において、燃料電池システム（燃料電池１１）の出力電力が電力負荷１９（電力使用場所）で消費される電流・電力に基づいて決定される所望の出力電力となるように、すなわち改質器２１で生成される水素量が所定量となるように、改質用燃料、燃焼用空気、酸化剤空気（カソード用空気）、ＣＯ浄化用空気および改質水を供給するようになっている。
In
このような発電運転中において、燃料電池システム制御装置１７は、停止スイッチが押されるなど運転停止指示があるまでは、ステップ１１８にて「ＮＯ」と判定し続けて発電運転を継続する。運転停止指示があると、ステップ１１８にて「ＹＥＳ」と判定し、プログラムをステップ１１９に進めて燃料電池システムの運転を停止すべく停止運転を実施する。
During such a power generation operation, the fuel cell system control device 17 continues to determine the “NO” at
具体的には、燃料電池システム制御装置１７は、燃料電池１１への燃料ガスの供給を停止する（ステップ１１９）。そして、燃料電池システム制御装置１７の指令によって系統連系インバータ制御装置１５ｃは、オン状態（閉状態）であるインバータ接続器３１をオフして燃料電池１１とＤＣ／ＤＣコンバータ１５ａとの接続を遮断する（ステップ１２０）。さらに、系統連系インバータ制御装置１５ｃは、ＤＣ／ＡＣインバータ１５ｂを作動させ、系統電源１２の電力をＤＣ／ＡＣインバータ１５ｂを通して補機１４に供給するようになっている。これにより、補機１４は、この供給される電力によって駆動する。なお、燃料電池システム制御装置１７にも電力が供給される。
Specifically, the fuel cell system control device 17 stops the supply of fuel gas to the fuel cell 11 (step 119). Then, in response to a command from the fuel cell system control device 17, the grid-connected inverter control device 15c turns off the
このとき、整流回路１６で整流された電圧は約ＤＣ２８０Ｖである。ＤＣ／ＡＣインバータ１５ｂで整流された電圧は約ＤＣ３５０Ｖであり、整流回路１６で整流された電圧より高い電圧となるため、ＤＣ／ＡＣインバータ１５ｂの力率改善した整流機能が動作し、整流回路１６は停止した状態となる。したがって、系統電源１２からの電力は、整流回路１６経由でなくＤＣ／ＡＣインバータ１５ｂ経由で補機用電源基板１８ひいては燃料電池システム制御装置１７および補機１４に供給される。
At this time, the voltage rectified by the
燃料電池システム制御装置１７は、ステップ１２２において、燃料電池システムの停止運転（停止制御時と同義である。）に必要な補機１４を動作させる。さらに、燃料電池システム制御装置１７は、ステップ１２４において、系統連系インバータ制御装置１５ｃが電力測定装置１５ｅによって測定した電力を入力する。この入力した電力値が、燃料電池システムの停止制御時での補機１４で消費される電力（補機消費電力）である。なぜなら、補機１４で消費される電力は、すべてＤＣ／ＡＣインバータ１５ｂ経由で系統電源１２から供給されているからである。
In
燃料電池システム制御装置１７は、燃料電池システムの停止運転が終了すると（ステップ１２６で「ＹＥＳ」）、系統接続器３３をオフする（ステップ１２８）。さらに、燃料電池システム制御装置１７は、停止運転のために動作されている補機１４の駆動を停止する。すなわち、改質用燃料、水（改質水）、空気（燃焼用空気、ＣＯ浄化用空気、燃料電池への空気）を供給するためのポンプの運転を停止したり電磁弁（常閉型）を非通電したりする。その後、プログラムをステップ１０２に戻して、燃料電池システムを待機状態とする。
When the stop operation of the fuel cell system is completed (“YES” in step 126), the fuel cell system control device 17 turns off the system connector 33 (step 128). Further, the fuel cell system control device 17 stops the driving of the
上述した説明から明らかなように、本実施の形態においては、電力変換装置１５は、燃料電池１１から入力した電力を変換して電源ライン１３に出力する出力電力を測定する電力測定手段１５ｅを有し、該電力測定手段１５ｅは、燃料電池システムの起動時および／または停止制御時に、系統電源１２から入力した電力を変換して補機１４に消費電力として出力する補機消費電力をも測定する。これにより、電力変換装置１５が有する電力測定手段１５ｅを使用して、燃料電池システムの起動時および／または停止制御時の補機消費電力を測定することができるので、専用の電力測定手段を別途設けないで、システムの大型化・コスト高を招くことなく、起動時および／または停止制御時の補機の消費電力を測定することができる。
As is clear from the above description, in the present embodiment, the
また、電力変換装置１５は、燃料電池１１から出力される直流電圧を入力し所定の直流電圧に変換するとともに、該変換された電圧を補機１４に出力可能であるＤＣ／ＤＣコンバータ１５ａと、ＤＣ／ＤＣコンバータ１５ａから出力される直流電圧を入力し交流電圧に変換して電源ライン１３に出力し、および系統電源１２からの交流電圧を電源ライン１３を介して入力し所定の直流電圧に変換して補機１４に出力するＤＣ／ＡＣインバータ１５ｂと、を備え、ＤＣ／ＡＣインバータ１５ｂが電力測定手段１５ｅを有するので、簡単な構成で電力変換装置１５を構成し、システムを小型化・低コスト化することができる。
The
また、燃料電池システムの待機時において、交流の系統電源１２に接続されている電源ライン１３と補機１４との間に電力変換装置１５に並列に設けられかつ整流素子から構成された整流回路１６が、電源ライン１３からの交流電圧を整流して直流電圧に変換して補機１４に供給する。このとき、整流回路１６は自らを作動させるための電力は必要ないので、燃料電池システムの待機時の消費電力を低減することができる。
Further, at the time of standby of the fuel cell system, a
また、待機時には、燃料電池システム制御装置１７や補機１４などで消費される電力は数Ｗである。一方、一般的に整流装置の出力が数Ｗである場合には、電流波形の歪が小さく周囲に対する高調波の影響が少ないので、力率改善回路を含まない単純なダイオードブリッジ整流回路を整流装置として使用することが可能である。起動時（発電準備時）には、燃料電池システム制御装置１７や補機１４などで消費される電力は約１００Ｗである。この場合、単純なダイオードブリッジ整流回路では、力率が悪くなり電流波形が歪み高調波が大きくなり周囲に悪影響を及ぼす。したがって、起動時にはＤＣ／ＡＣインバータ１５ｂのみを駆動させ、歪みのない電流波形を形成し力率改善機能が可能となる。これらのことから、燃料電池システムの待機時には消費電力を低減し、起動時には力率改善機能を発揮させる２つの作用を両立することができる。
Further, during standby, the power consumed by the fuel cell system controller 17 and the
なお、本発明は、燃料電池１１の燃料極にメタノールなどの燃料を直接供給して発電させるタイプの燃料電池システムに適用可能である。 The present invention can be applied to a fuel cell system of a type that generates power by directly supplying a fuel such as methanol to the fuel electrode of the fuel cell 11.
なお、電力変換装置１５の系統連系インバータ制御装置１５ｃを削除して、系統連系インバータ制御装置１５ｃの代わりに燃料電池システム制御装置１７を使用するようにしてもよい。
Note that the grid interconnection inverter control device 15c of the
なお、上述した図２に示す燃料電池システムの運転停止方法に代えて、図３に示す運転停止方法を実行するようにしてもよい。例えば、停止直後（燃料電池１１への燃料供給停止直後）に燃料電池１１内の残燃料ガスを利用する場合について説明する。図２の制御内容と同一のものについては同一符号を付して説明を省略し、図２の制御内容と異なる点（特に運転停止方法）について説明する。 Instead of the operation stopping method of the fuel cell system shown in FIG. 2 described above, the operation stopping method shown in FIG. 3 may be executed. For example, a case where the remaining fuel gas in the fuel cell 11 is used immediately after the stop (immediately after the fuel supply to the fuel cell 11 is stopped) will be described. Components identical to those shown in FIG. 2 are designated by the same reference numerals, and the description thereof is omitted. Differences from the control details shown in FIG.
燃料電池システム制御装置１７は、ステップ１１９の処理（燃料電池１１への燃料ガス供給の停止処理）の後、燃料電池（スタック）１１に燃料ガスが残っている間、燃料電池１１内の残燃料による発電電力と系統電源１２からの電力で停止運転を実施する（ステップ２０２）。残燃料による発電電力だけでは停止運転ができない場合には、不足電力分は系統電源１２からの電力でまかなうようになっている。このとき、インバータシステム１５においては、ＤＣ／ＤＣコンバータ１５ａとＤＣ／ＡＣインバータ１５ｂが協調して、停止運転に必要な電力を得るようになっている。例えば、ＤＣ／ＤＣコンバータ１５ａからの出力電力が補機１４等での消費電力より小さければ、ＤＣ／ＡＣインバータ１５ｂがその不足分を補うように電力を供給するようになっている。
The fuel cell system control device 17 performs the remaining fuel in the fuel cell 11 while the fuel gas remains in the fuel cell (stack) 11 after the processing of step 119 (processing for stopping the supply of fuel gas to the fuel cell 11). The stop operation is performed with the generated power and the power from the system power supply 12 (step 202). When the stop operation cannot be performed only with the power generated by the remaining fuel, the insufficient power is supplied by the power from the
燃料電池システム制御装置１７（系統連系インバータ制御装置１５ｃ）は、残燃料を利用して停止運転をしている間、電力測定装置１５ｅによって補機１４の消費電力を測定している（ステップ２０４）。これにより、燃料電池１１の燃料供給停止後、インバータ接続器３１をオフするまでの間の補機１４への消費電力を測定することができる。
The fuel cell system control device 17 (system interconnection inverter control device 15c) measures the power consumption of the
なお、燃料電池システム制御装置１７（系統連系インバータ制御装置１５ｃ）は、ステップ２０６において、燃料電池１１に燃料ガスが残っているか否かを（燃料電池１１が残燃料により発電しているか否かを）、ＤＣ／ＤＣコンバータ１５ａの入力電力または出力電力に基づいて判定する。このとき、入力電圧が所定電圧以下であれば残燃料が残っていないと判定する。また、インバータ接続器３１をオフした後の停止運転の処理（ステップ１２２）では、補機１４へは系統電源１２からの電力のみ（ＤＣ／ＡＣインバータ１５ｂ経由のみで）が供給されるようになっている。
In
１１…燃料電池、１２…系統電源、１３…電源ライン、１４…補機、１５…インバータシステム（電力変換装置）、１５ａ…ＤＣ／ＤＣコンバータ、１５ｂ…ＤＣ／ＡＣインバータ、１５ｃ…系統連系インバータ制御装置、１５ｄ…インバータ用電源ＤＣ／ＤＣコンバータ、１５ｅ…電力測定装置（電力測定手段）、１６…整流回路、１７…燃料電池システム制御装置、１８補機用電源基板、１９…電力負荷、２１…改質器、３１…インバータ接続器、３２…電圧計、３３…系統接続器。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 11 ... Fuel cell, 12 ... System power supply, 13 ... Power supply line, 14 ... Auxiliary machine, 15 ... Inverter system (power converter), 15a ... DC / DC converter, 15b ... DC / AC inverter, 15c ... System interconnection inverter Control device, 15d ... Inverter power supply DC / DC converter, 15e ... Power measurement device (power measurement means), 16 ... Rectifier circuit, 17 ... Fuel cell system control device, 18 Power supply board for auxiliary equipment, 19 ... Power load, 21 ... reformer, 31 ... inverter connector, 32 ... voltmeter, 33 ... system connector.
Claims (2)
前記燃料電池システムを起動、発電、停止させるための補機と、
前記燃料電池から出力される直流電圧を入力し所定の交流電圧に変換して交流の系統電源および前記外部電力負荷に接続されている電源ラインに出力する第１機能と、前記系統電源からの交流電圧を前記電源ラインを介して入力し所定の直流電圧に変換して前記補機に出力する第２機能と、前記燃料電池からの直流電圧を入力し所定の直流電圧に変換して前記補機に出力する第３機能と、を有する電力変換装置と、を備え、
前記電力変換装置は、前記燃料電池から入力した電力を変換して前記電源ラインに出力する出力電力を測定する電力測定手段を有し、
該電力測定手段は、前記燃料電池システムの起動時および／または停止制御時に、前記系統電源から入力した電力を変換して前記補機に消費電力として出力する補機消費電力をも測定することを特徴とする燃料電池システム。 A fuel cell system including a fuel cell that generates electric power using a fuel gas and an oxidant gas and outputs the generated electric power to an external power load,
An auxiliary machine for starting, generating and stopping the fuel cell system;
A first function that inputs a DC voltage output from the fuel cell, converts the DC voltage to a predetermined AC voltage, and outputs the AC voltage to an AC system power supply and a power supply line connected to the external power load; and an AC from the system power supply A second function of inputting a voltage via the power line to convert it to a predetermined DC voltage and outputting it to the auxiliary machine; and a second function of inputting a DC voltage from the fuel cell and converting it to a predetermined DC voltage to convert the auxiliary machine to the auxiliary machine. A power converter having a third function to output to
The power conversion device has power measurement means for converting the power input from the fuel cell and measuring the output power output to the power line,
The power measuring means also measures auxiliary machine power consumption that is converted from power input from the system power source and output to the auxiliary machine as power consumption when starting and / or controlling the fuel cell system. A fuel cell system.
前記燃料電池から出力される直流電圧を入力し所定の直流電圧に変換するとともに、該変換された電圧を前記補機に出力可能であるＤＣ／ＤＣコンバータと、
前記ＤＣ／ＤＣコンバータから出力される直流電圧を入力し交流電圧に変換して前記電源ラインに出力し、および前記系統電源からの交流電圧を前記電源ラインを介して入力し所定の直流電圧に変換して前記補機に出力するＤＣ／ＡＣインバータと、を備え、
前記ＤＣ／ＡＣインバータが前記電力測定手段を有することを特徴とする燃料電池システム。
The power conversion device according to claim 1,
A DC / DC converter that inputs a direct current voltage output from the fuel cell and converts the direct current voltage into a predetermined direct current voltage, and that can output the converted voltage to the auxiliary device;
A DC voltage output from the DC / DC converter is input and converted to an AC voltage and output to the power supply line, and an AC voltage from the system power supply is input via the power supply line and converted to a predetermined DC voltage. And a DC / AC inverter that outputs to the auxiliary machine,
The fuel cell system, wherein the DC / AC inverter has the power measuring means.
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