JP4537007B2

JP4537007B2 - Fuel cell system

Info

Publication number: JP4537007B2
Application number: JP2003018409A
Authority: JP
Inventors: 賢治武田; 雅哉一瀬; 基生二見; 昌宏小町谷; 謙二久保
Original assignee: Hitachi Ltd; Hitachi Appliances Inc
Current assignee: Hitachi Ltd; Hitachi Global Life Solutions Inc
Priority date: 2003-01-28
Filing date: 2003-01-28
Publication date: 2010-09-01
Anticipated expiration: 2023-01-28
Also published as: JP2004234869A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は，燃料電池と蓄電池を用いて負荷に電力を供給する燃料電池システムの改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
特許文献１には、燃料電池と蓄電池を用い、蓄電池の充放電により系統電源からの電力の供給と戻り量を少くし経済性を良化し、また、予定時間差をもって充放電量を一致させ、蓄電池容量を最小限にするシステムが開示されている。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００２−１５１１２１号公報（実施の形態２、段落番号００１９〜００２２、図３）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来の燃料電池システムでは、負荷電力の急峻な変動に対しては蓄電池の放電によりこれを補うことになるが、蓄電池の容量が不十分なために連系運転時の出力不足の課題がある。又、負荷電力を検出しているだけでは、受電電力を抑制することが難しいという課題がある。
【０００５】
本発明の目的は、連系運転時の出力を確保しつつ、受電電力を所望の電力以下に抑制できる燃料電池システムを提供することである。
【０００６】
本発明の他の目的は、システムの稼働率を向上し、常に高い効率で運転できる燃料電池システムを提供することである。
【０００７】
本発明の更に他の目的は、ユーザが受電電力の節約状況を確認できる燃料電池システムを提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の燃料電池システムは、燃料電池と、蓄電池と、これらの出力を商用系統電源と同じ周波数・電圧の交流電力に変換するＤＣ／ＡＣ変換装置と、その交流側に接続された系統電源及び電気負荷を備えた燃料電池システムにおいて、蓄電池の出力電力容量をＡ［Ｗ］、受電契約電力をＢ［Ｗ］、燃料電池の出力電力容量をＣ［Ｗ］、受電目標電力をＤ［Ｗ］としたとき、Ａ＝Ｂ−Ｃ−Ｄの関係を満たすように、各電力容量を設定したことを特徴とする。
【０００９】
ここで、受電目標電力Ｄは、蓄電池の能力と、その家庭等での電力消費の特徴に応じて、（ピーク消費電力−燃料電池の電力容量）からゼロ［Ｗ］までの範囲で設定することができる。従って、受電目標電力Ｄをゼロに設定したときには、Ａ＝Ｂ−Ｃの関係を満たすように、各電力容量を設定したことと同じである。
【００１０】
受電契約電力Ｂが５［ｋＷ］の標準的な家庭においては、燃料電池出力電力容量を１［ｋＷ］、蓄電池出力電力容量を２〜４［ｋＷ］、ＤＣ／ＡＣ変換装置の電力容量を３〜５［ｋＷ］とすることが望ましい。
【００１１】
これにより、連系運転時の出力を確保しつつ、系統電源からの受電電力を所望値以下に抑制できる。
【００１２】
また、本発明の燃料電池システムは、燃料電池の出力電力を予定値以内に制御する手段と、受電電力目標値設定手段と、受電電力検出手段と、この受電電力の目標値と検出値の偏差に応じて蓄電池への充放電を制御する手段を備えたことを特徴とする。言い代えれば、負荷電力が、燃料電池の出力電力と受電電力目標値の和を超えるとき、蓄電池から電力を出力するように蓄電池への充放電を制御する手段を備えたことを特徴とする。
【００１３】
これにより、系統電源からの受電電力を所望値以下に抑制しつつ、システムの稼働率を向上し、常に高い効率で運転できる燃料電池システムを提供する。
【００１４】
さらに本発明の燃料電池システムは，燃料電池の出力電力、直流／交流変換装置が出力するシステム出力電力、負荷電力又は受電電力のうち二つ以上を並べて表示する表示手段を備えたことを特徴とする。
【００１５】
これにより、ユーザが受電電力の節約状況を確認できる燃料電池システムを提供することができる。
【００１６】
本発明のその他の目的及び特徴は、以下の実施例の説明で明らかにする。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施例を図面を参照して説明する。
【００１８】
図１は、本発明の一実施例による燃料電池システムの全体構成ブロック図である。本システムは、まず、容量１［ｋＷ］の燃料電池１と、容量２〜４［ｋＷ］の蓄電池２と、蓄積コンデンサ３を備えている。燃料電池１の出力電流を制御するために、容量１［ｋＷ］の電流制御装置としてのＤＣ／ＤＣコンバータ（直流／直流変換装置）４を備えている。また、蓄電池２と蓄積コンデンサ３を結び、蓄電池２の充放電電流を制御するために、容量２〜４［ｋＷ］の充放電装置としての双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ５を備える。そして、これら２つのＤＣ／ＤＣコンバータ４、５の出力及び蓄積コンデンサ３の直流電力は、容量３〜５［ｋＷ］の直流／交流変換装置（ＤＣ／ＡＣインバータ）６により交流電力に変換される。
【００１９】
このＤＣ／ＡＣインバータの交流端子には、高調波除去用のリアクトル７とコンデンサ８及び遮断投入手段９を有する。遮断投入手段９により高調波除去後のシステム出力は交流電力系統に連系され、一方は家庭内受電盤１１を介して商用系統電源１２へ、もう一方は電気負荷１０へ接続される。
【００２０】
商用系統電源１２から家庭内受電盤１１を介して流れる電流は、受電電流検出手段１３により受電電流検出値１４として検出される。遮断投入手段９を投入し、系統に連系した場合の系統電圧は、高調波除去リアクトル７と遮断投入手段９の接続線上に設けられた交流電圧検出手段２６により交流電圧検出値２７として検出される。また、高調波除去リアクトル７と遮断投入手段９の接続線上に設けられた連系電流検出手段２４は、システム出力として電力系統に出力される電流を連系電流検出値２５として検出する。また、燃料電池１とＤＣ／ＤＣコンバータ４の接続線上にある、燃料電池電流検出手段３２及び燃料電池電圧検出手段３４は、それぞれ燃料電池電流検出値３３及び燃料電池電圧検出値３５を検出する。同様に、蓄電池２と双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ５の接続線上にある蓄電池電流検出手段２８及び蓄電池電圧検出手段３０は、それぞれ蓄電池電流検出値２９及び蓄電池電圧検出値３１を検出する。直流電圧検出手段１９は、直流電圧検出値３９を検出する。燃料発生装置１８により発生した燃料ガス２２は、燃料ガス弁２１により適正な流量に制御され、燃料電池入力ガス２３として燃料電池１に供給される。上記の各電流検出値及び各電圧検出値は、制御装置１５に演算パラメータとして入力される。さらに、制御装置１５と操作リモコン１６は、情報伝達手段１７を介してデータの送受信を行う。燃料ガス弁２１、ＤＣ／ＤＣコンバータ４、双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ５、ＤＣ／ＡＣインバータ６は、それぞれ制御装置１５から出力される燃料ガス流量指令２０、パルス指令３６〜３８に基いて制御される。
【００２１】
図２は、図１における制御装置１５の詳細な構成ブロック図である。位相・電圧検出手段１０２は、交流電圧検出値２７から、交流電圧位相１０７及び交流電圧振幅１０８を検出する。例えば、位相検出にはＰＬＬ（Phase Locked Loop）を使用する。連系電流制御指令手段１０３は、交流出力電流検出値２５、交流電圧位相１０７、交流電圧振幅１０８及び直流電圧検出値３９に基き、システム出力電流を制御するＤＣ／ＡＣインバータ６に対し、パルス指令３６を出力する。受電電力検出手段としての受電電力演算手段１０１は、受電電流検出値１４と交流電圧検出値２７の各実効値の積により、受電電力１０９を演算する。システム出力演算手段１０４は、受電電力１０９に基き、燃料ガス流量指令２０、燃料電池電流指令１１２、及び蓄電池電流指令１１３を演算する。燃料電池電流制御指令手段１０５は、燃料電池電流指令１１２に基き、燃料電池電流３３を制御するＤＣ／ＤＣコンバータ４に対し、パルス指令３８を出力する。蓄電池電流制御指令手段１０６は、蓄電池電流指令１１３に基き、蓄電池電流２９を制御する双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ５に対し、パルス指令３７を出力する。
【００２２】
図３は、連系電流制御指令手段１０３の詳細図を示す。直流電圧制御手段２０１は、直流電圧検出手段１９により検出された蓄積コンデンサ３の両端の直流電圧検出値３９を直流電圧指令２１３に等しくするように、連系電流振幅指令２１４を作成する。直流電圧制御器２０１には、比例・積分制御を用いている。交流電圧位相１０７は、正弦波演算器２１９に入力され、同位相を持つ振幅「１」の交流信号２１７に変換される。連系電流振幅指令２１４と交流信号２１７は、乗算器２０５において乗算され、交流連系電流指令２１５となる。また、交流信号２１７は、交流電圧振幅１０８と乗算器２０６にて乗算され、乗算器２０６は、ａ相出力電圧指令値のフィードフォワード分２１６を出力する。また、フィードフォワード分２１６は、乗算器２０８にて“−１”と乗算され、乗算器２０８はｂ相出力電圧指令値のフィードフォワード分２１８を出力する。ａ相電流制御器２０２は、交流連系電流指令２１５と連系電流検出値２５のａ相電流との誤差を零とするように制御出力を調整する。また、ｂ相電流制御器２０３は、符号を反転した交流連系電流指令２１５と連系電流検出値２５のｂ相電流との誤差を零とするように制御出力を調整する。電流制御器２０２及び２０３は、例えば比例積分制御器により構成される。それらの出力として現れる電圧指令値は、それぞれ電圧指令値２１６及び電圧指令値２１８に加算された後、パルス変換器２０４において所定の三角波と比較することでパルス指令３６に変換される。
【００２３】
図４は、本発明の要部に関係するシステム出力演算手段１０４の詳細図を示し、ここで、電力制御が行われる。受電電力目標値設定手段（図示せず）により、受電電力目標値であるピークカット閾値１１５が設定される。受電電力１０９と、受電電力目標値１１５との差分が、蓄電池充放電電力指令１１６となり、蓄電池電流換算手段３０１へ入力される。蓄電池電流換算手段３０１では、これを蓄電池電流指令１１３に変換し、蓄電池電流制御指令手段１０６（図７）に入力する。また、負荷電力検出値３０７は、燃料電池出力電力指令３０９と蓄電池出力電力指令１１６の和であるシステム出力電力指令３１１と、受電電力１０９とを加算して得られる。この負荷電力検出値３０７は、急峻な負荷電力変動を除去する時定数手段としてのフィルタ３０２を介して負荷電力指令３１０に変換され、燃料電池出力演算手段３０３に入力される。ここで、フィルタ３０２には、燃料ガス２３が燃料電池１に供給される遅れ時間相当、例えば５分程度の時定数の一次遅れフィルタを用いる。燃料電池出力演算手段３０３により演算された燃料電池出力指令３０８は、燃料ガス流量換算手段３０５により燃料ガス流量指令２０に変換される。前記の燃料電池入力ガス２３は、変化した後に安定するまで所定の時間が必要なため、この所定時間を考慮した遅延手段３０４を介して燃料電池出力電力指令３０９を出力する。出力された燃料電池出力電力指令３０９は、燃料電池電流換算手段３０６により燃料電池電流指令１１２に変換され、燃料電池電流制御指令手段１０５に入力される。ここで、各換算手段３０１、３０５及び３０６は、例えば、入力に対し、電圧検出値３１、３５等の任意の換算係数を乗算又は除算することにより換算する。受電電力１０９、システム出力電力指令３１１、及び燃料電池出力電力指令３０９の値は、図中の破線で示すように、情報伝達手段１７を介してリモコン１６に送信される。
【００２４】
図５は、図４における燃料電池出力演算手段３０３の機能説明図である。入力される負荷電力指令（ＩＮ）３１０に対し、燃料電池出力電力（ＯＵＴ）３０８を決める。燃料電池出力電力容量を１［ｋＷ］としたとき、負荷電力指令３１０が、この燃料電池出力電力容量以内であれば、この指令電力を、すべて燃料電池で賄うことができる。従って、出力指令３０８は、燃料電池の電力容量１［ｋＷ］までは、指令電力に１対１に対応する長破線に沿って出力すべきである。しかし、燃料電池の出力を連続的に制御することは難しいので、出力指令３０８は、実線で示すように階段状に設定されている。この階段は、例えば燃料電池１の定格電力の２０〜３０％程度に刻んでいる。そして、蓄電池の放電時は、負荷電力指令３１０の値を超えないように、傾き１の長破線以下の範囲に収まるように設計されている。他方、蓄電池を充電する際には、短破線のように、燃料電池出力指令３０８を、傾き１の長破線より上の範囲に伸ばすことで、蓄電池の充電電力よりも多い電力を燃料電池から出力し、システムの稼働率を向上させている。
【００２５】
このように、燃料電池１と蓄電池２の出力の和を指令する電力指令値３１０が、燃料電池１の最大出力電力１[ｋＷ]の範囲内にあるとき、次のように制御する。まず、蓄電池２の充電時には、電力指令値３１０（長破線）以上の領域でこの電力指令値３１０に階段状に追従する短破線のような電力を燃料電池１から出力させる。次に、蓄電池２の放電時には、電力指令値３１０以下の領域でこの電力指令値に階段状に追従する実線のような電力を燃料電池１から出力させる制御手段３０３を備えているのである。
【００２６】
図６は、図２の燃料電池電流制御指令手段１０５の詳細図である。燃料電池電流指令１１２と燃料電池電流検出値３３の差分４０３は、比例・積分調整器４０１に入力される。この比例・積分調整器４０１は、差分４０３を零とするように出力４０４を調整する。パルス演算器４０２は、比例・積分出力４０４を三角波と比較して、電流制御装置（ＤＣ／ＤＣコンバータ）４を動作させる制御パルス３８を出力する。
【００２７】
図７は、図２の蓄電池電流制御指令手段１０６の詳細図である。蓄電池電流指令１１３と蓄電池電流検出値２９の差分４０８は、比例・積分調整器４０６に入力され、この差分４０８を零とするように出力４０９を調整する。パルス演算器４０７は、比例・積分出力４０９を三角波と比較して、充放電装置（ＤＣ／ＤＣコンバータ）５を動作させる制御パルス３７を出力する。
【００２８】
図８は、わが国の一戸建て住宅の典型的な負荷電力実測グラフである。一般家庭では４０〜５０［Ａ］の受電契約が多く、その負荷電力を実測してみると瞬時ピークはおよそ３〜５［ｋＷ］、夜間電力は０．５［ｋＷ］未満となっている。
【００２９】
図９は、わが国の一戸建て住宅の典型的な一日の平均消費電力パターンを示すグラフである。一般家庭における１日の消費電力量はおよそ１２〜１７［ｋＷ］ｈであり、消費電力量の多くは昼間を含む約１２時間の間に消費されることから、時間平均としては約１［ｋＷ］である。従って、燃料電池１の出力容量として約１［ｋＷ］を設置することで家庭の消費電力を殆ど賄うことができる。蓄電池２は、燃料電池１の出力電力と負荷電力３０７の差に相当するエネルギーを充放電して、受電電力を所定の値まで抑制する。
【００３０】
各装置の電力容量は、次のようにして設定する。一般家庭の受電契約電力Ｂと燃料電池出力電力容量Ｃと蓄電池出力電力容量Ａの関係を、Ａ＝Ｂ−Ｃとすることで、受電電力を最小にする形で各装置の電力容量が最適化される。例えば、５０［Ａ］契約の家庭に出力電力１［ｋＷ］の燃料電池１を導入した場合には、次の通りとなる。すなわち、電流制御装置（ＤＣ／ＤＣコンバータ）４の容量は１［ｋＷ］、蓄電池２及び充放電装置（双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ）５の容量を４［ｋＷ］、直流／交流変換装置（ＤＣ／ＡＣインバータ）６の容量は５［ｋＷ］と設定する。これにより、一般家庭において連系運転時の出力を確保しつつ、系統電源からの受電電力１０９を所望値以下に抑制できる。
【００３１】
この実施例は、燃料電池を予定電力以内に制御する手段３０３と、受電目標１１５設定手段と、受電電力１０９検出手段（１４、１７．１０１）と、受電電力の偏差１１６に応じ充放電装置５を制御する手段（３０１、１０６）を備える。
【００３２】
これにより、連系運転時の所望出力を確保しつつ、受電電力を目標値に抑制できるとともに、燃料電池システムの稼働率を向上し、常に高い効率で運転することができる。
【００３３】
具体的に説明すると、図４の目標受電電力（ピークカット閾値）１１５を設定することによって、一般家庭の受電電力１０９を、所望値Ｄに制御することができる。この場合には、蓄電池出力電力容量Ａは、Ａ＝Ｂ−Ｃ−Ｄとする。まず、目標受電電力（ピークカット閾値）Ｄをゼロとした場合には、当然ながら上記Ａ＝Ｂ−Ｃと同じであり、受電電力を最小値に抑制するケースである。次に、例えば、蓄電池２の能力に応じて、所望の目標受電電力Ｄを設定することができる。上記の典型的一般家庭の例において、目標受電電力Ｄを２［ｋＷ］に設定すれば、蓄電池出力電力容量Ａは、Ａ＝Ｂ−Ｃ−Ｄ＝５−１−２＝２［ｋＷ］となる。従って、負荷電力３０７が、燃料電池１の出力電力１［ｋＷ］と受電電力目標値２［ｋＷ］の和３［ｋＷ］を超えるとき、その超えた分だけ蓄電池２から電力を出力するように充放電装置５を制御する手段１０６を備えていることになる。
【００３４】
以上のように、本燃料電池システムは，４０〜５０［Ａ］家庭において燃料電池１及び蓄電池２の出力電力容量を最適化することにより、受電電力１０９を所定値１１５に抑えつつ、システムの稼働率を向上することができる。
【００３５】
図１０は、図１及び図２に示す操作リモコン１６の外観図である。操作リモコン１６は、図２のシステム出力演算手段１０４と情報伝達手段１７で結ばれている。その表面には、操作部５０１及び表示部５０２を備える。例えば、電力検出値３０７、受電電力１０９、燃料電池出力電力指令３０９、システム出力電力指令３１１などのデータを、情報伝達手段１７を介して制御装置１５内のシステム出力演算手段１０４と通信する。操作部５０１には、燃料電池システムの運転／停止を切替えるスイッチ５０６を備える。表示部５０２には、日付時刻表示部５０３、電力表示部５０４、及び状態表示部５０５を備える。電力表示手段（電力表示部）５０４は、前記燃料電池出力電力指令３０９、前記受電電力１０９、前記負荷電力検出値３０７、及び前記システム出力電力指令値３１１のうち２つ以上の情報を並べて表示する。状態表示部５０５は、ＬＥＤの消灯・点滅・点灯により運転状態を示す。
【００３６】
図１１は、電力表示部５０４に表示する電力値の表示の一例図である。例えば、液晶及び有機ＥＬによるディスプレイ上又は７セグメントＬＥＤにより数値で表示する。
【００３７】
図１２は、電力表示部５０４に表示する電力値の表示の他の一例図である。液晶及び有機ＥＬによるディスプレイ上又は直線状に配置したＬＥＤを用いて、伸縮するインジケータとして表示している。
【００３８】
このように、受電電力１０９と負荷電力３０７、又はシステム出力電力指令３１１と負荷電力３０７など、電力値を２つ以上並べて表示すれば、一般家庭のユーザが、受電電力１０９の節約状況を容易に確認できる。
【００３９】
【発明の効果】
本発明によれば、受電電力を所定の電力以下に抑制することが可能となる。また、目標受電電力を設定した場合には、受電電力を所定の電力に抑制しつつ、燃料電池システムを常に高い効率で運転できる。更に、システム出力電力、負荷電力及び受電電力のうち２つを表示した場合には、ユーザが受電電力の節約状況を確認できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例による燃料電池システムの全体構成ブロック図。
【図２】図１における制御装置１５の詳細な構成ブロック図。
【図３】図２における連系電流制御手段１０３の詳細な構成ブロック図。
【図４】図２におけるシステム出力演算手段１０４の詳細な構成ブロック図。
【図５】図４における燃料電池出力演算手段３０３の詳細機能図。
【図６】図２における燃料電池電流制御指令手段１０５の詳細な構成ブロック図。
【図７】図２における蓄電池電流制御指令手段１０６の詳細な構成ブロック図。
【図８】本発明の一実施例におけるある家庭の瞬時消費電力のグラフ。
【図９】本発明の一実施例におけるある家庭の平均消費電力のグラフ。
【図１０】本発明の一実施例による操作リモコンの外観図。
【図１１】本発明の一実施例による操作リモコンへの電力表示例。
【図１２】本発明の他の実施例による操作リモコンへの電力表示例。
【符号の説明】
１…燃料電池、２…蓄電池、３…蓄積コンデンサ、４…電流制御装置（ＤＣ／ＤＣコンバータ）、５…充放電装置（双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ）、６…直流／交流変換装置（ＤＣ／ＡＣインバータ）、１０…電気負荷、１２…商用系統電源、１５…制御装置、１６…操作リモコン、１７…情報伝達手段、３６〜３８…制御パルス、１０９…受電電力、１１２…燃料電池電流指令、１１３…蓄電池電流指令、１１５…受電電力目標値（ピークカット閾値）、１１６…蓄電池充放電電力指令、３０７…負荷電力検出値、３０８…燃料電池出力指令、３０９…燃料電池出力電力指令、３１０…負荷電力指令、３１１…システム出力電力指令値、５０１…操作部、５０２…表示部、５０３…日付時刻表示部、５０４…電力表示手段（電力表示部）、５０５…状態表示部、５０６…運転／停止切替スイッチ。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an improvement in a fuel cell system that supplies power to a load using a fuel cell and a storage battery.
[0002]
[Prior art]
Patent Document 1 uses a fuel cell and a storage battery, reduces the supply and return amount of power from the system power supply by charging / discharging the storage battery, improves the economy, and matches the charge / discharge amount with a scheduled time difference. A system for minimizing capacity is disclosed.
[0003]
[Patent Document 1]
JP 2002-151121 A (Embodiment 2, paragraph numbers 0019 to 0022, FIG. 3)
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
In the above conventional fuel cell system, a sudden change in the load power is compensated by the discharge of the storage battery. However, the capacity of the storage battery is insufficient, and there is a problem of insufficient output during the interconnection operation. . Moreover, there is a problem that it is difficult to suppress the received power only by detecting the load power.
[0005]
The objective of this invention is providing the fuel cell system which can suppress received electric power below to desired electric power, ensuring the output at the time of interconnection operation.
[0006]
Another object of the present invention is to provide a fuel cell system that improves the operating rate of the system and can always be operated with high efficiency.
[0007]
Still another object of the present invention is to provide a fuel cell system that allows a user to check the state of saved received power.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
The fuel cell system of the present invention includes a fuel cell, a storage battery, a DC / AC conversion device that converts these outputs into AC power having the same frequency and voltage as a commercial power supply, a system power supply connected to the AC side, and In a fuel cell system equipped with an electric load, the output power capacity of the storage battery is A [W], the power receiving contract power is B [W], the output power capacity of the fuel cell is C [W], and the power receiving target power is D [W]. , Each power capacity is set so as to satisfy the relationship of A = B−C−D.
[0009]
Here, the power reception target power D is set in a range from (peak power consumption-fuel cell power capacity) to zero [W] according to the capacity of the storage battery and the characteristics of power consumption in the home. Can do. Therefore, when the power reception target power D is set to zero, it is the same as setting each power capacity so as to satisfy the relationship of A = B−C.
[0010]
In a standard home with a power receiving contract power B of 5 [kW], the fuel cell output power capacity is 1 [kW], the storage battery output power capacity is 2 to 4 [kW], and the power capacity of the DC / AC converter is 3 It is desirable to set it to ˜5 [kW].
[0011]
Thereby, the electric power received from a system power supply can be suppressed below a desired value, ensuring the output at the time of interconnection operation.
[0012]
Further, the fuel cell system of the present invention includes a means for controlling the output power of the fuel cell within a predetermined value, a received power target value setting means, a received power detection means, and a deviation between the received power target value and the detected value. And a means for controlling charge / discharge of the storage battery according to the above. In other words, there is provided a means for controlling charging / discharging to the storage battery so that the power is output from the storage battery when the load power exceeds the sum of the output power of the fuel cell and the received power target value.
[0013]
This provides a fuel cell system that improves the operating rate of the system and can always be operated with high efficiency while suppressing the received power from the system power supply to a desired value or less.
[0014]
Furthermore, the fuel cell system of the present invention comprises a display means for displaying two or more of the output power of the fuel cell, the system output power output from the DC / AC converter, the load power or the received power side by side. To do.
[0015]
Accordingly, it is possible to provide a fuel cell system in which the user can check the state of saving received power.
[0016]
Other objects and features of the present invention will become apparent from the description of the following examples.
[0017]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
[0018]
FIG. 1 is a block diagram showing the overall configuration of a fuel cell system according to an embodiment of the present invention. The system first includes a fuel cell 1 having a capacity of 1 [kW], a storage battery 2 having a capacity of 2 to 4 [kW], and a storage capacitor 3. In order to control the output current of the fuel cell 1, a DC / DC converter (DC / DC converter) 4 is provided as a current controller having a capacity of 1 [kW]. Moreover, in order to connect the storage battery 2 and the storage capacitor 3, and to control the charge / discharge current of the storage battery 2, a bidirectional DC / DC converter 5 as a charge / discharge device having a capacity of 2 to 4 [kW] is provided. The outputs of the two DC / DC converters 4 and 5 and the DC power of the storage capacitor 3 are converted into AC power by a DC / AC converter (DC / AC inverter) 6 having a capacity of 3 to 5 [kW]. .
[0019]
The AC terminal of the DC / AC inverter has a reactor 7 for removing harmonics, a capacitor 8 and a shut-off unit 9. The system output after removing the harmonics by the shut-off unit 9 is connected to the AC power system, one being connected to the commercial power supply 12 via the domestic power receiving board 11 and the other being connected to the electric load 10.
[0020]
A current flowing from the commercial power supply 12 through the domestic power receiving panel 11 is detected by the received current detection means 13 as a received current detection value 14. The system voltage when the shut-off unit 9 is turned on and connected to the system is detected as an AC voltage detection value 27 by the AC voltage detecting unit 26 provided on the connection line between the harmonic elimination reactor 7 and the shut-off unit 9. The Moreover, the connection current detection means 24 provided on the connection line between the harmonic elimination reactor 7 and the shut-off input means 9 detects the current output to the power system as the system output as the connection current detection value 25. The fuel cell current detection means 32 and the fuel cell voltage detection means 34 on the connection line between the fuel cell 1 and the DC / DC converter 4 detect the fuel cell current detection value 33 and the fuel cell voltage detection value 35, respectively. Similarly, the storage battery current detection means 28 and the storage battery voltage detection means 30 on the connection line between the storage battery 2 and the bidirectional DC / DC converter 5 detect the storage battery current detection value 29 and the storage battery voltage detection value 31, respectively. The DC voltage detection means 19 detects a DC voltage detection value 39. The fuel gas 22 generated by the fuel generator 18 is controlled to an appropriate flow rate by the fuel gas valve 21 and supplied to the fuel cell 1 as the fuel cell input gas 23. Each current detection value and each voltage detection value are input to the control device 15 as calculation parameters. Further, the control device 15 and the operation remote controller 16 transmit and receive data via the information transmission means 17. The fuel gas valve 21, the DC / DC converter 4, the bidirectional DC / DC converter 5, and the DC / AC inverter 6 are controlled based on the fuel gas flow command 20 and the pulse commands 36 to 38 output from the control device 15, respectively. The
[0021]
FIG. 2 is a detailed configuration block diagram of the control device 15 in FIG. The phase / voltage detection unit 102 detects the AC voltage phase 107 and the AC voltage amplitude 108 from the AC voltage detection value 27. For example, a PLL (Phase Locked Loop) is used for phase detection. The interconnection current control command means 103 is a pulse command for the DC / AC inverter 6 that controls the system output current based on the AC output current detection value 25, the AC voltage phase 107, the AC voltage amplitude 108, and the DC voltage detection value 39. 36 is output. The received power calculation means 101 as the received power detection means calculates the received power 109 by the product of each effective value of the received current detection value 14 and the AC voltage detection value 27. The system output calculation means 104 calculates the fuel gas flow command 20, the fuel cell current command 112, and the storage battery current command 113 based on the received power 109. The fuel cell current control command means 105 outputs a pulse command 38 to the DC / DC converter 4 that controls the fuel cell current 33 based on the fuel cell current command 112. The storage battery current control command means 106 outputs a pulse command 37 to the bidirectional DC / DC converter 5 that controls the storage battery current 29 based on the storage battery current command 113.
[0022]
FIG. 3 shows a detailed view of the interconnecting current control command means 103. The DC voltage control unit 201 creates the interconnection current amplitude command 214 so that the DC voltage detection value 39 at both ends of the storage capacitor 3 detected by the DC voltage detection unit 19 is equal to the DC voltage command 213. The DC voltage controller 201 uses proportional / integral control. The AC voltage phase 107 is input to the sine wave calculator 219 and converted into an AC signal 217 having the same phase and an amplitude of “1”. The interconnection current amplitude command 214 and the AC signal 217 are multiplied by the multiplier 205 to become an AC interconnection current command 215. The AC signal 217 is multiplied by the AC voltage amplitude 108 and the multiplier 206, and the multiplier 206 outputs a feedforward portion 216 of the a-phase output voltage command value. Further, the feedforward component 216 is multiplied by “−1” by the multiplier 208, and the multiplier 208 outputs the feedforward component 218 of the b-phase output voltage command value. The a-phase current controller 202 adjusts the control output so that the error between the AC interconnection current command 215 and the a-phase current of the interconnection current detection value 25 becomes zero. Further, the b-phase current controller 203 adjusts the control output so that the error between the AC interconnection current command 215 whose sign is inverted and the b-phase current of the interconnection current detection value 25 is zero. The current controllers 202 and 203 are configured by, for example, proportional integral controllers. The voltage command values appearing as the outputs are added to the voltage command value 216 and the voltage command value 218, respectively, and then converted into a pulse command 36 by comparing with a predetermined triangular wave in the pulse converter 204.
[0023]
FIG. 4 shows a detailed view of the system output calculation means 104 related to the main part of the present invention, where power control is performed. A received power target value setting means (not shown) sets a peak cut threshold 115 that is a received power target value. The difference between the received power 109 and the received power target value 115 becomes the storage battery charge / discharge power command 116 and is input to the storage battery current conversion means 301. The storage battery current conversion means 301 converts this into a storage battery current command 113 and inputs it to the storage battery current control command means 106 (FIG. 7). The detected load power value 307 is obtained by adding the system output power command 311 that is the sum of the fuel cell output power command 309 and the storage battery output power command 116, and the received power 109. This load power detection value 307 is converted into a load power command 310 through a filter 302 as time constant means for removing steep load power fluctuations, and is input to the fuel cell output calculation means 303. Here, a first-order lag filter corresponding to a delay time in which the fuel gas 23 is supplied to the fuel cell 1, for example, about 5 minutes, is used as the filter 302. The fuel cell output command 308 calculated by the fuel cell output calculation unit 303 is converted into the fuel gas flow rate command 20 by the fuel gas flow rate conversion unit 305. Since the fuel cell input gas 23 requires a predetermined time until it stabilizes after changing, the fuel cell output power command 309 is output via the delay means 304 in consideration of the predetermined time. The output fuel cell output power command 309 is converted into a fuel cell current command 112 by the fuel cell current conversion unit 306 and input to the fuel cell current control command unit 105. Here, each conversion means 301, 305, and 306 performs conversion by multiplying or dividing an input by an arbitrary conversion coefficient such as the voltage detection values 31, 35, for example. The values of the received power 109, the system output power command 311 and the fuel cell output power command 309 are transmitted to the remote controller 16 via the information transmission means 17, as indicated by the broken lines in the figure.
[0024]
FIG. 5 is a functional explanatory diagram of the fuel cell output calculation means 303 in FIG. The fuel cell output power (OUT) 308 is determined for the input load power command (IN) 310. When the fuel cell output power capacity is 1 [kW], if the load power command 310 is within the fuel cell output power capacity, the command power can be covered by the fuel cell. Therefore, the output command 308 should be output along a long broken line corresponding to the command power on a one-to-one basis until the power capacity 1 [kW] of the fuel cell. However, since it is difficult to continuously control the output of the fuel cell, the output command 308 is set in a step shape as shown by the solid line. This step is carved into about 20 to 30% of the rated power of the fuel cell 1, for example. And, when discharging the storage battery, it is designed to be within the range of the long broken line with the slope 1 so as not to exceed the value of the load power command 310. On the other hand, when charging the storage battery, the fuel cell output command 308 is extended to a range above the long broken line with a slope 1 as shown by the short broken line, so that more power than the charging power of the storage battery is output from the fuel cell. And improving the operating rate of the system.
[0025]
As described above, when the power command value 310 for commanding the sum of the outputs of the fuel cell 1 and the storage battery 2 is within the range of the maximum output power 1 [kW] of the fuel cell 1, the following control is performed. First, when the storage battery 2 is charged, the fuel cell 1 outputs electric power such as a short broken line that follows the electric power command value 310 in a stepwise manner in an area that is greater than or equal to the electric power command value 310 (long broken line). Next, when the storage battery 2 is discharged, a control means 303 is provided for outputting electric power, such as a solid line, following the electric power command value in a stepwise manner in the region below the electric power command value 310 from the fuel cell 1.
[0026]
FIG. 6 is a detailed view of the fuel cell current control command means 105 of FIG. A difference 403 between the fuel cell current command 112 and the detected fuel cell current value 33 is input to the proportional / integral regulator 401. The proportional / integral adjuster 401 adjusts the output 404 so that the difference 403 is zero. The pulse calculator 402 compares the proportional / integral output 404 with a triangular wave, and outputs a control pulse 38 for operating the current control device (DC / DC converter) 4.
[0027]
FIG. 7 is a detailed view of the storage battery current control command means 106 of FIG. The difference 408 between the storage battery current command 113 and the detected storage battery current value 29 is input to the proportional / integration adjuster 406, and the output 409 is adjusted so that the difference 408 is zero. The pulse calculator 407 compares the proportional / integral output 409 with a triangular wave and outputs a control pulse 37 for operating the charge / discharge device (DC / DC converter) 5.
[0028]
FIG. 8 is a typical load power measurement graph of a detached house in Japan. In general households, there are many power receiving contracts of 40 to 50 [A], and when the load power is measured, the instantaneous peak is about 3 to 5 [kW] and the nighttime power is less than 0.5 [kW].
[0029]
FIG. 9 is a graph showing a typical average daily power consumption pattern of a single-family house in Japan. The daily power consumption in a general household is about 12 to 17 [kW] h, and most of the power consumption is consumed for about 12 hours including daytime, so that the time average is about 1 [kW]. ]. Therefore, by setting about 1 [kW] as the output capacity of the fuel cell 1, it is possible to almost cover the power consumption of the home. The storage battery 2 charges and discharges energy corresponding to the difference between the output power of the fuel cell 1 and the load power 307, and suppresses the received power to a predetermined value.
[0030]
The power capacity of each device is set as follows. The power capacity of each device is optimized by minimizing the received power by setting the relationship between the power receiving contract power B, the fuel cell output power capacity C, and the storage battery output power capacity A to A = B−C. Is done. For example, when the fuel cell 1 with an output power of 1 [kW] is installed in a 50 [A] contracted home, the operation is as follows. That is, the capacity of the current control device (DC / DC converter) 4 is 1 [kW], the capacity of the storage battery 2 and the charge / discharge device (bidirectional DC / DC converter) 5 is 4 [kW], and the direct current / alternating current converter (DC) / AC inverter) 6 capacity is set to 5 [kW]. As a result, the received power 109 from the system power supply can be suppressed to a desired value or less while securing the output during the grid operation in a general home.
[0031]
In this embodiment, the means 303 for controlling the fuel cell within the planned power, the power receiving target 115 setting means, the received power 109 detection means (14, 17.101), and the charging / discharging device 5 according to the deviation 116 of the received power. Means (301, 106) for controlling.
[0032]
Thereby, while ensuring the desired output at the time of interconnection operation, the received power can be suppressed to the target value, the operation rate of the fuel cell system can be improved, and the operation can be always performed with high efficiency.
[0033]
More specifically, by setting the target received power (peak cut threshold) 115 in FIG. 4, the received power 109 of a general household can be controlled to the desired value D. In this case, the storage battery output power capacity A is A = B−C−D. First, when the target received power (peak cut threshold) D is set to zero, it is naturally the same as A = B−C, and the received power is suppressed to the minimum value. Next, for example, a desired target received power D can be set according to the capacity of the storage battery 2. In the above example of typical household, if the target received power D is set to 2 [kW], the storage battery output power capacity A is A = B−C−D = 5-1−2 = 2 [kW]. Become. Therefore, when the load power 307 exceeds the sum 3 [kW] of the output power 1 [kW] of the fuel cell 1 and the received power target value 2 [kW], the power is output from the storage battery 2 by the excess amount. Means 106 for controlling the charging / discharging device 5 is provided.
[0034]
As described above, this fuel cell system operates the system while suppressing the received power 109 to the predetermined value 115 by optimizing the output power capacity of the fuel cell 1 and the storage battery 2 in a 40 to 50 [A] home. The rate can be improved.
[0035]
FIG. 10 is an external view of the operation remote controller 16 shown in FIGS. 1 and 2. The operation remote controller 16 is connected to the system output calculation means 104 and the information transmission means 17 in FIG. On the surface, an operation unit 501 and a display unit 502 are provided. For example, data such as the power detection value 307, the received power 109, the fuel cell output power command 309, and the system output power command 311 are communicated with the system output calculation unit 104 in the control device 15 via the information transmission unit 17. The operation unit 501 includes a switch 506 for switching between operation / stop of the fuel cell system. The display unit 502 includes a date / time display unit 503, a power display unit 504, and a status display unit 505. A power display unit (power display unit) 504 displays two or more pieces of information side by side among the fuel cell output power command 309, the received power 109, the load power detection value 307, and the system output power command value 311. . The state display unit 505 indicates an operation state by turning off / flashing / lighting the LED.
[0036]
FIG. 11 is an example of a display of the power value displayed on the power display unit 504. For example, a numerical value is displayed on a display using liquid crystal and organic EL or by a 7-segment LED.
[0037]
FIG. 12 is another example of the display of the power value displayed on the power display unit 504. It is displayed as an indicator that expands and contracts using LEDs arranged on a liquid crystal and organic EL display or linearly.
[0038]
As described above, when two or more power values such as the received power 109 and the load power 307 or the system output power command 311 and the load power 307 are displayed side by side, a user in a general household can easily save the received power 109. I can confirm.
[0039]
【The invention's effect】
According to the present invention, the received power can be suppressed to a predetermined power or lower. Further, when the target received power is set, the fuel cell system can always be operated with high efficiency while suppressing the received power to a predetermined power. Further, when two of the system output power, load power, and received power are displayed, the user can check the saving status of the received power.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an overall configuration block diagram of a fuel cell system according to an embodiment of the present invention.
2 is a detailed configuration block diagram of a control device 15 in FIG. 1;
FIG. 3 is a detailed block diagram of the interconnection current control means 103 in FIG. 2;
4 is a detailed configuration block diagram of a system output calculation unit 104 in FIG. 2. FIG.
5 is a detailed functional diagram of fuel cell output calculation means 303 in FIG.
6 is a detailed block diagram of the fuel cell current control command means 105 in FIG. 2. FIG.
7 is a detailed block diagram of the storage battery current control command means 106 in FIG. 2. FIG.
FIG. 8 is a graph of instantaneous power consumption at a certain home according to an embodiment of the present invention.
FIG. 9 is a graph of the average power consumption of a household in one embodiment of the present invention.
FIG. 10 is an external view of an operation remote controller according to an embodiment of the present invention.
FIG. 11 shows an example of power display on the operation remote controller according to one embodiment of the present invention.
FIG. 12 shows an example of power display on the operation remote controller according to another embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Fuel cell, 2 ... Storage battery, 3 ... Storage capacitor, 4 ... Current control apparatus (DC / DC converter), 5 ... Charge / discharge device (bidirectional DC / DC converter), 6 ... DC / AC converter (DC / DC) AC inverter), 10 ... electric load, 12 ... commercial system power supply, 15 ... control device, 16 ... operation remote control, 17 ... information transmitting means, 36-38 ... control pulse, 109 ... received power, 112 ... fuel cell current command, 113 ... Storage battery current command, 115 ... Received power target value (peak cut threshold), 116 ... Storage battery charge / discharge power command, 307 ... Load power detection value, 308 ... Fuel cell output command, 309 ... Fuel cell output power command, 310 ... Load power command, 311 ... system output power command value, 501 ... operation unit, 502 ... display unit, 503 ... date / time display unit, 504 ... power display means (power display unit), 05 ... status display section, 506 ... operation / stop changeover switch.

Claims

A fuel cell, a current control device connected to the fuel cell, a DC / AC converter for converting the output of the current control device to AC power having the same frequency as the system power supply, a storage battery, and one end connected to the storage battery The other end connected to the DC / AC converter, the system power supply and power load connected to the AC terminal of the DC / AC converter, the load power and / or the received power based on the received power In a fuel cell system comprising a control means for controlling a current control device, the charge / discharge device, and / or the DC / AC converter,
Current detection means installed on the system power supply side from the connection point between the AC terminal of the DC / AC converter and the power load;
AC voltage detection means for detecting the system voltage when connected to the system,
The control means includes received power calculation means for calculating received power based on outputs of the current detection means and the AC voltage detection means, and includes the current control device, the charge / discharge device, and the DC / AC conversion device. Control
When the output power capacity of the storage battery is A [W], the received power contract power is B [W], the output power capacity of the fuel cell is C [W], and the received power target value is D [W], A = B When the amount of power calculated by the received power calculation means exceeds the received power target value so as to satisfy the relationship of -C-D, the charge / discharge device is controlled to receive the received power from the system power supply. A fuel cell system having a target value D or less.

In the claims 1 to, 1 power capacity of the fuel cell [kW], 2~4 [kW] of the power capacity of the storage battery, and the output power capacity of the DC / AC converter with 3 to 5 [kW] A fuel cell system.

3. The capacity of the current control device according to claim 1 or 2 is set to 1 [kW], the capacity of the charge / discharge device is set to 2 to 4 [kW], and the capacity of the DC / AC converter is set to 3 to 5 [kW]. A fuel cell system.