JP4981317B2

JP4981317B2 - 燃料電池給電システム

Info

Publication number: JP4981317B2
Application number: JP2005364238A
Authority: JP
Inventors: 功次小西
Original assignee: 河村電器産業株式会社
Priority date: 2005-12-19
Filing date: 2005-12-19
Publication date: 2012-07-18
Anticipated expiration: 2025-12-19
Also published as: JP2007172841A

Description

本発明は、複数の燃料電池が出力した直流電力を交流電力に変換して電力消費ユニットに供給する給電システム、特に、小規模集合住宅に適した燃料電池給電システムに関するものである。

従来、燃料電池が出力した直流電力をパワーコンディショナーで交流電力に変換し、商用系統（商用交流電源）と連系して、小規模集合住宅の複数の住戸に供給する給電システムが提案されている（例えば、特許文献１）。
特開２００４−３２７１６０号公報

図３は従来の燃料電池給電システムの一例を示す。このシステムは、５戸の住戸７１〜７５で構成された小規模集合住宅７０を対象とし、５Ｋｗの一台の燃料電池５１と貯湯タンク等の排熱回収用の給湯設備（図示せず）とを備え、燃料電池５１の出力する直流電力をパワーコンディショナー５２で交流電力に変換し、電力線網に連系して各住戸７１〜７５へ電力を供給している。このシステムでは集合住宅７０側での使用電力が低い軽負荷運転のとき、燃料電池５１の発電効率や補機類の排熱回収効率が低下し、総合的なエネルギー効率が低下するという問題点が有った。

図４は従来の改良システムを示す。このシステムは、燃料電池部６１に１ｋＷの独立運転可能な５台の燃料電池６１〜６５を備え、集合住宅７０での使用電力が少ないときは、５台のうち必要に応じた台数の燃料電池で直流電力を発電することで、軽負荷運転時の効率低下を抑えている。そして、図３のシステムと同様、燃料電池６１〜６５で発電した直流電力をパワーコンディショナー５２で交流電力に変換し、電力線網を経て各住戸７１〜７５に電力を供給する。

図５は従来の給電システムで用いられるパワーコンディショナー５２の回路構成を示す。このパワーコンディショナー５２は、昇圧チョッパ部８３とインバータ部８４と連系部８５とを備え、燃料電池５１の出力するＤＣ４８Ｖ程度の低い電圧を昇圧チョッパ部８３でＤＣ３５０〜４００Ｖ程度まで昇圧し、インバータ部８４で交流電力に変換した後に、連系部８５を経て商用系統６０や電力線網に給電するように構成されている。

しかし、従来の給電システムによると、燃料電池の発電電力が５ｋＷで出力電圧が４８Ｖの場合、パワーコンディショナー５２の入力端子、昇圧チョッパ部８３のリアクトルＬ、スイッチング素子ＳＷおよびその配線には１００Ａ以上の電流が流れる。この電流による損失は次式より求められる。
（電流）^２×（抵抗）
抵抗：リアクトルＬと配線の直流抵抗及びスイッチング素子ＳＷのオン抵抗を含む
従って、昇圧チョッパ部８３の入力電流が大きくなるほど、パワーコンディショナー５２の損失が電流の２乗に比例して大きくなり、給電システム全体のエネルギー効率が低下する問題点が有った。

そこで、本発明の目的は、パワーコンディショナーの損失を抑えて、総合エネルギー効率を高めることができる燃料電池給電システムを提供することにある。

上記課題を解決するために、請求項１に係る発明は、複数の燃料電池が出力した直流電力をパワーコンディショナーで交流電力に変換して複数の電力消費ユニットに供給する燃料電池給電システムにおいて、パワーコンディショナーが各燃料電池に個別に接続された複数の昇圧チョッパ部と、各昇圧チョッパ部が直列に接続された一つのインバータ部とを備えたことを特徴とする。

また、本発明の燃料電池給電システムは、各燃料電池の出力電圧を別々に検出する電圧検出部と、パワーコンディショナーを制御する制御部とを備え、制御部が電圧検出部の検出値に基づいて燃料電池の運転台数を判別し、運転中の燃料電池に接続された昇圧チョッパ部に燃料電池の運転台数に応じた出力電圧目標値を設定することを特徴とする。

請求項１の発明によれば、複数の燃料電池を備えた給電システムにおいて、パワーコンディショナーに燃料電池と同数の昇圧チョッパ部を設けたので、個々の昇圧チョッパ部の入力電流を小さくし、パワーコンディショナーの損失を抑えて、総合エネルギー効率を高めることができる効果がある。また、パワーコンディショナーの出力電力が大きくなるほど、昇圧チョッパ部一台あたりの昇圧比が小さくなるため、昇圧運転の制御が容易となり、パワーコンディショナーの動作が安定する利点もある。さらに、燃料電池の保守・点検時に、対象となる燃料電池に接続された昇圧チョッパ部のみを停止させることができ、システムダウン（全発電停止）させることなく、メンテナンスを実施できる効果もある。

また、本発明の燃料電池給電システムによれば、制御部が運転中の燃料電池に接続された昇圧チョッパ部に燃料電池の運転台数に応じた出力電圧目標値を設定するので、給電システムを電力需要の変動に合わせて経済的に稼動できる効果がある。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図１は小規模集合住宅用の燃料電池給電システムを示す。この給電システムは、５台の燃料電池１１〜１５からなる燃料電池部１と、各燃料電池１１〜１５が出力した直流電力を交流電力に変換するパワーコンディショナー２と、燃料電池部１及びパワーコンディショナー２を制御するマイクロコンピュータを用いた制御部３とを備え、パワーコンディショナー２の出力を商用系統６と連系して電力消費ユニットである複数の住戸７１〜７５（図３参照）に供給するように構成されている。

燃料電池１１〜１５には１Ｋｗの普及型電池が用いられ、５台の燃料電池１１〜１５が給湯設備等の排熱回収用の補機類を共有している。このため、最大発電容量５Ｋｗの燃料電池部１を安価に設備できるとともに、集合住宅７０側の電力需要が低下する軽負荷運転時に、５台の燃料電池１１〜１５のうち一部の電池のみを独立運転することで、燃料電池部１の総合発電効率を高めることが可能となる。

パワーコンディショナー２は、燃料電池１１〜１５と同数である５台の昇圧チョッパ部３１〜３５と、各昇圧チョッパ部３１〜３５が出力した直流電力を交流電力に変換する一台のインバータ部４と、インバータ部４の出力を商用系統６と連系させる連系部５とから構成されている。一つの昇圧チョッパ部の容量は燃料電池の発電容量に合わせて１ｋｗ程度に設定され、各昇圧チョッパ部３１〜３５の入力端子が５台の燃料電池１１〜１５にそれぞれ別々に接続されている。また、各昇圧チョッパ部３１〜３５の出力端子はダイオードＤ１〜Ｄ５を介してインバータ部４の入力端子に直列に接続されている。

ここで、燃料電池１１〜１５の一台あたりの出力電圧がＤＣ４８Ｖの場合、各昇圧チョッパ３１〜３５がそれぞれＤＣ８０Ｖを出力することで、インバータ部４に計４００Ｖの直流電圧を供給できる。インバータ部４が単相３線路のＡＣ２００Ｖ回路と連系するためには、ピーク値で２８０Ｖ強〜３００Ｖ程度の交流電圧を出力する必要がある。このため、昇圧チョッパ３１〜３５がインバータ部４にＤＣ４００Ｖを供給すれば、インバータ部４はそれ自身の半導体スイッチやリアクトルでの電圧降下を考慮してもＡＣ２００Ｖ回路に余裕を持って連系することができる。

また、昇圧チョッパ部３１〜３５を燃料電池１１〜１５と同数設けたことにより、一台のチョッパ部の入力電流値を小さく抑えて、電流による損失値を低下させることも可能である。昇圧チョッパ部の損失値を従来のパワーコンディショナー５２（図５参照）とこの実施形態のパワーコンディショナー２とで比較すると、次のようになる。次式では、一つの昇圧チョッパ部のリアクトルＬと配線の直流抵抗及びスイッチング素子ＳＷのオン抵抗の合計がＲ（Ω）であると仮定する。

従来のパワーコンディショナー（１台の昇圧チョッパ部）の場合
入力電流５Ｋｗ÷４８（Ｖ）≒１０４．２（Ａ）
損失（１０４．２）^２×Ｒ≒１０８５７．６・Ｒ（Ｗ）
この実施形態のパワーコンディショナー（５台の昇圧チョッパ部）の場合
入力電流１Ｋｗ÷４８（Ｖ）≒２０．８（Ａ）
損失（２０．８）^２×Ｒ×５≒２１６３．２Ｒ（Ｗ）
従って、この実施形態のパワーコンディショナー２によれば、昇圧チョッパ部３１〜３５の一台あたりの損失を従来のおよそ１／５程度まで低下させることができる。

一方、この実施形態の燃料電池給電システムは、各昇圧チョッパ部３１〜３５の入力電圧（燃料電池１１〜１５の出力電圧）を別々に検出する電圧検出器４１〜４５を燃料電池１１〜１５と昇圧チョッパ部３１〜３５との間の回路上に備えている。そして、図２のフローチャートに示すように、制御部３が電圧検出器４１〜４５の検出値に基づいて運転中の燃料電池１１〜１５の台数を判別し、運転中の燃料電池１１〜１５に接続された昇圧チョッパ部３１〜３５に運転台数に応じた出力電圧の目標値を設定するように構成されている。

図２において、まず、制御部３は電圧検出器４１〜４５の出力に基づいて昇圧チョッパ部３１〜３５の入力電圧を予め定めた閾値と比較してチェックする（Ｓ１）。閾値には例えば燃料電池１１〜１５の定格出力であるＤＣ４８Ｖを使用でき、燃料電池が運転していると電圧検出値はＤＣ４８Ｖ以上となり、停止していると０Ｖとなる。このため、ＤＣ４８Ｖ以上の電圧を出力する燃料電池を運転中と判別し、これに接続された昇圧チョッパ部ｎの運転を登録し（Ｓ２）、ＤＣ４８Ｖ未満の電圧を出力する燃料電池に接続された昇圧チョッパ部３１〜３５は運転を停止する（Ｓ３）。

全部の昇圧チョッパ部３１〜３５の電圧チェックを完了すると（Ｓ４：Ｙｅｓ）、次に、制御部３は運転登録された昇圧チョッパ部に登録台数に応じた出力電圧目標値を設定したのち、そのチョッパ部の昇圧運転を制御する（Ｓ５〜Ｓ１４）。例えば、すべての燃料電池１１〜１５が運転し、５台の昇圧チョッパ部３１〜３５が運転登録されている場合に（Ｓ５）、各昇圧チョッパ部３１〜３５の出力電圧目標値をそれぞれＤＣ８０Ｖに設定する（Ｓ６）。また、図１に示す一つの燃料電池１３が運転し、これに接続された昇圧チョッパ部３３のみが運転登録されている場合は（Ｓ１３）、その出力電圧目標値をＤＣ４００Ｖに設定し（Ｓ１４）、残り４台の昇圧チョッパ部３１，３２，３４，３５を停止した状態で、一台の昇圧チョッパ部３３の昇圧運転を制御する。この結果、インバータ部４は昇圧チョッパ部３３の出力コンデンサＣに蓄えられたＤＣ４００Ｖを＋側はダイオードＤ２，Ｄ１を経て、−側はダイオードＤ５，Ｄ４を経て入力することができる。

従って、この実施形態の燃料電池給電システムによれば、次のような効果が得られる。
（イ）パワーコンディショナー２に燃料電池１１〜１５と同数の昇圧チョッパ部３１〜３５を設けたので、個々の昇圧チョッパ部の入力電流を小さくし、パワーコンディショナー２の損失を抑制できる。
（ロ）パワーコンディショナー２の出力が大きくなるほど、昇圧チョッパ部一台あたりの昇圧比が小さくなるため、昇圧運転の制御がしやすくなり、パワーコンディショナー２の動作が安定する。
（ハ）燃料電池部１の保守・点検時に、対象となる燃料電池１１〜１５に接続された昇圧チョッパ部３１〜３５のみを停止させることができ、給電システム全体をダウンさせることなく、メンテナンスを支障なく実施できる。
（ニ）運転中の燃料電池１１〜１５に接続された昇圧チョッパ部３１〜３５に登録台数に応じた出力電圧目標値を設定するので、給電システムを集合住宅７０側の電力需要の変動に合わせて経済的に稼動できる。
（ホ）燃料電池１１〜１５に１ｋｗ程度の普及型電池を使用したので、高価な補機類を共有して燃料電池部１を安価に設備できるとともに、小規模集合住宅の電力需要の変動に的確に対応できる。

尚、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、例えば、燃料電池及び昇圧チョッパ部の台数を電力消費ユニットの規模に応じて増減したり、複数の燃料電池の出力を相違させたりするなど、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で各部の構成を適宜に変更して実施することも可能である。

本発明の一実施形態を示す燃料電池給電システムの回路図である。図１の給電システムの制御部による処理を示すフローチャートである。従来の燃料電池給電システムを示すブロック図である。従来の別の給電システムを示すブロック図である。従来のパワーコンディショナーを示す回路図である。

符号の説明

１燃料電池部
２パワーコンディショナー
３制御部
４インバータ部
５連系部
１１〜１５燃料電池
３１〜３５昇圧チョッパ部
４１〜４５電圧検出器

Claims

複数の燃料電池が出力した直流電力をパワーコンディショナーで交流電力に変換して複数の電力消費ユニットに供給する給電システムにおいて、パワーコンディショナーが各燃料電池に個別に接続された複数の昇圧チョッパ部と、各昇圧チョッパ部が直列に接続された一つのインバータ部と、各燃料電池の出力電圧を別々に検出する電圧検出部とを備え、パワーコンディショナーを制御する制御部が電圧検出部の検出値に基づいて燃料電池の運転台数を判別し、運転中の燃料電池に接続された昇圧チョッパ部に燃料電池の運転台数に応じた出力電圧目標値を設定することを特徴とする燃料電池給電システム。