(57)【要約】【課題】燃料電池の安全性を高める技術を提供する。【解決手段】制御装置６０において、第１電力供給部６１は、燃料電池４００の起動シーケンスにおいて、当該燃料電池４００から通信可能であるかが確認される補助ユニット８０に電力を供給する。第２電力供給部６２は、燃料電池４００に電力を供給する。第２電力供給部６２は、第１電力供給部６１が補助ユニット８０に電力を供給した後に、燃料電池４００に電力を供給する。補助ユニット８０は複数の補助サブユニットを備え、第１電力供給部６１は、複数の補助サブユニットに順番に電力を供給してもよい。【選択図】図８
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池の起動シーケンスにおいて、当該燃料電池から通信可能であるかが確認される補助ユニットに電力を供給する第１電力供給部と、
燃料電池に電力を供給する第２電力供給部とを備え、
前記第２電力供給部は、前記第１電力供給部が補助ユニットに電力を供給した後に、燃料電池に電力を供給することを特徴とする制御装置。
【請求項２】
前記補助ユニットは複数の補助サブユニットを有し、
前記第１電力供給部は、前記複数の補助サブユニットに順番に電力を供給することを特徴とする請求項１に記載の制御装置。
【請求項３】
系統電源からの電力供給があるか否かを検出する系統電源検出部をさらに備え、
前記第１電力供給部は、前記系統電源検出部が系統電源からの電力供給が停止したことを検出した場合、前記補助ユニットに蓄電池の電力を供給することを特徴とする請求項１または２に記載の制御装置。
【請求項４】
燃料電池が発電可能であるか否かを検出する発電検出部をさらに備え、
前記第１電力供給部は、燃料電池が発電可能であることを前記発電検出部が検出した場合、燃料電池が発電した電力を前記補助ユニットに供給することを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の制御装置。
【請求項５】
燃料電池と、
前記燃料電池の動作を補助する補助ユニットと、
請求項１から４のいずれか一項に記載の制御装置とを備えることを特徴とする燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は制御装置およびその制御装置を備える燃料電池システムに関し、特に家庭用の小型電源として好適な燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、エネルギー変換効率が高く、かつ、発電反応により有害物質を発生しない燃料電池が注目を浴びている。燃料電池は、天然ガスやメタノールなどと水蒸気を反応させて作った水素と、大気中の酸素を化学反応させて電気と熱とを同時に生成するものでる。このため、燃料電池は発電による副産物が水だけであり、低出力域でも高効率で、しかも発電が天候に影響されず安定的である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００９−８７５６８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
こうした燃料電池のひとつとして、固体高分子形燃料電池がある。固体高分子形燃料電池は１００℃以下の低温で作動し、家庭用をはじめとする定置型、車載用あるいは携帯用などの用途において次世代のひとつの標準電源と目されている。しかしながら、燃料電池が１００℃以下で作動するとしても、作動中に生じる熱を排熱するための装置が必要となる。また、燃料電池が家庭で用いられるのであれば、室内から燃料電池の動作を制御するためのリモコン等の装置も必要となる。
【０００５】
このように、燃料電池が確実に動作するためには、燃料電池の動作を補助するための補助装置との連携が重要となる。したがって、例えば燃料電池を起動する前に排熱用の補助装置を作動させることが、燃料電池を安全に動作させる上で好ましい。このように、燃料電池と補助装置とが連携して動作することが、燃料電池の安全性を高める上で重要である。
【０００６】
本発明はこうした状況に鑑みなされたものであり、その目的は、燃料電池の安全性を高める技術を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために、本発明のある態様の制御装置は、燃料電池の起動シーケンスにおいて、当該燃料電池から通信可能であるかが確認される補助ユニットに電力を供給する第１電力供給部と、燃料電池に電力を供給する第２電力供給部とを備える。第２電力供給部は、第１電力供給部が補助ユニットに電力を供給した後に、燃料電池に電力を供給する。
【０００８】
補助ユニットは複数の補助サブユニットを有してもよい。第１電力供給部は、複数の補助サブユニットに順番に電力を供給してもよい。
【０００９】
系統電源からの電力供給があるか否かを検出する系統電源検出部をさらに備えてもよい。第１電力供給部は、系統電源検出部が系統電源からの電力供給が停止したことを検出した場合、補助ユニットに蓄電池の電力を供給してもよい。
【００１０】
燃料電池が発電可能であるか否かを検出する発電検出部をさらに備えてもよい。第１電力供給部は、燃料電池が発電可能であることを発電検出部が検出した場合、燃料電池が発電した電力を補助ユニットに供給してもよい。
【００１１】
燃料電池と、燃料電池の動作を補助する補助ユニットと、上述した制御装置とを備えてもよい。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、燃料電池の安全性を高める技術を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の実施の形態に係る燃料電池システムの構成を模式的に示す図である。
【図２】系統電源が停電した直後における、燃料電池システムの通電状態を模式的に示す図である。
【図３】系統電源の停電を検知し、自立モードに移行途中の燃料電池システムの通電状態を模式的に示す図である。
【図４】系統電源の停電を検知し、自立モードに移行した燃料電池システムの通電状態を模式的に示す図である。
【図５】自立モードにおける燃料電池システムにおいて、燃料電池が発電を開始したときの通電状態を模式的に示す図である。
【図６】自立モードにおける燃料電池システムにおいて、燃料電池の発電量に余力がある場合における通電状態を模式的に示す図である。
【図７】自立モードにおける燃料電池システムにおいて、燃料電池の発電電力が負荷に供給すべき電力を下回る場合における通電状態を模式的に示す図である。
【図８】実施の形態に係る燃料電池システムの機能構成を模式的に示す図である。
【図９】実施の形態に係る制御装置が実行する燃料電池の起動処理の流れを示すフローチャートである。
【図１０】系統電源が通電中において、燃料電池および貯湯ユニットが停止しているときの燃料電池システムの通電状態を模式的に示す図である。
【図１１】系統電源が通電中において、燃料電池に電力を供給する前に貯湯ユニットが通電したときの燃料電池システムの通電状態を模式的に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
図１は、本発明の実施の形態に係る燃料電池システム１００の回路構成を模式的に示す図である。実施の形態に係る燃料電池システム１００は、系統電源２００、主分電盤３００、燃料電池４００、蓄電池ユニット５００、切替ユニット６００、通常負荷７００、自立負荷７５０、貯湯ユニット８００、給湯器８５０、非常灯９００、およびアース線９５０を含む。
【００１５】
図１は、系統電源２００が通電している場合における燃料電池システム１００の通電状態を示している。図１において、破線と、破線よりも太い実線で示す線は電力線を示す。ここで破線は電流の流れていない電力線であり、太い実線は電流が流れている電力線であることを示す。
【００１６】
実施の形態に係る燃料電池システム１００は、燃料電池４００を電力会社が供給する交流電源である系統電源２００と並列に接続し、系統電源２００および燃料電池４００の両方から通常負荷７００へ電力を供給する。燃料電池システム１００はまた、燃料電池４００の動作を補助するための蓄電池ユニット５００も備える。蓄電池ユニット５００は、例えば、系統電源２００の停電時に燃料電池４００を起動するための電力源となる。蓄電池ユニット５００は、系統電源２００が通電中は、系統電源２００の電力を蓄電する。
【００１７】
主分電盤３００は、主幹ブレーカ３１０、自立用ブレーカ３２０、燃料電池用ブレーカ３３０、および通常負荷用ブレーカ３４０を含む。主幹ブレーカ３１０は、系統電源２００から供給される最大の電気容量に応じた定格電流のブレーカである。自立用ブレーカ３２０は、系統電源２００の電力を後述する自立負荷７５０に供給する経路に設けられたブレーカである。また燃料電池用ブレーカ３３０は、系統電源２００の電力を燃料電池４００に供給する経路に設けられたブレーカである。
【００１８】
通常負荷用ブレーカ３４０は、系統電源２００の電力を通常負荷７００に供給する経路に設けられたブレーカである。通常負荷７００は、系統電源２００が通電中に電力が供給される負荷であり、空調、冷蔵庫、エレベータ、照明等の他に、テレビ等のＡＶ機器、娯楽機器等の緊急性の低い機器を含む。一方、自立負荷７５０は、系統電源２００が停電したときに、燃料電池４００が自立的に動作して発電する電力を供給すべき負荷である。
【００１９】
蓄電池ユニット５００は、蓄電池制御部５１０、充電器５２０、蓄電池５３０、ＤＣ／ＡＣインバータ５４０、第１スイッチ５５０、第２スイッチ５６０、第３スイッチ５７０、第４スイッチ５８０、および端子５９０を含む。
【００２０】
蓄電池５３０は、充放電自在で繰り返し使用できる二次電池である。蓄電池５３０は、例えば多数のリチウムイオン電池セルを内蔵する電池パックが複数組み合わされて形成される。蓄電池５３０は系統電源２００が供給する電力によって充電される。具体的には、系統電源２００が供給する交流電力は、第１スイッチ５５０および第３スイッチ５７０を介して充電器５２０に供給される。充電器５２０は系統電源２００が供給する交流電力を直流電力に変換する。充電器５２０は蓄電池５３０と接続しており、蓄電池５３０は、充電器５２０が変換した直流電力によって充電される。
【００２１】
図１に示すように、燃料電池４００は燃料電池用ブレーカ３３０および自立用ブレーカ３２０を介して第１スイッチ５５０と電気的に接続している。このため、燃料電池４００が発電しているとき、その発電電力の一部は系統電源２００の電力と加わり、蓄電池５３０の充電に用いられる。
【００２２】
第１スイッチ５５０は、系統電源２００からの電力を蓄電池５３０に供給するか、蓄電池５３０が放電する電力を切替ユニット６００に供給するかを選択的に切り換えるスイッチである。図１は系統電源２００が通電中における燃料電池システム１００を図示しているため、第１スイッチ５５０は、系統電源２００からの電力を蓄電池５３０に供給することを選択している。また第３スイッチ５７０は、系統電源２００の電力で蓄電池５３０を充電するか否かを切り換えるスイッチである。蓄電池５３０が満充電、または所定の蓄電量以上の場合、第３スイッチ５７０はオフとなり、系統電源２００による蓄電池５３０の充電が停止する。
【００２３】
ＤＣ／ＡＣインバータ５４０は、蓄電池５３０の直流電力を交流電力に変換する。第２スイッチ５６０は、蓄電池５３０の電力を出力するか否かを切り換える。
【００２４】
第４スイッチ５８０は、燃料電池４００が発電する電力を充電器５２０に直接供給するか否かを切り換えるスイッチである。後述するように、系統電源２００が停電中に燃料電池４００の発電に余力があれば、余剰電力で蓄電池５３０を充電する。燃料電池４００の発電に余力がない場合、第４スイッチ５８０はオフとなり、燃料電池４００と充電器５２０との電気的な接続を遮断する。
【００２５】
端子５９０は、蓄電池ユニット５００の外部出力端子である。蓄電池ユニット５００は、端子５９０を介して切替ユニット６００と接続する。蓄電池制御部５１０は、蓄電池ユニット５００の動作を統括的に制御する。具体的には、蓄電池制御部５１０は、第１スイッチ５５０、第２スイッチ５６０、第３スイッチ５７０、および第４スイッチ５８０の開閉を制御したり、充電器５２０、ＤＣ／ＡＣインバータ５４０の動作を制御したりする。蓄電池制御部５１０は、例えば既知のマイコン等によって実現される。
【００２６】
切替ユニット６００は、切替制御部６１０、トランス６２０、第１電力検出部６３０、第２電力検出部６３５、第５スイッチ６４０、第６スイッチ６４１、第７スイッチ６４２、第８スイッチ６４３、第９スイッチ６４４、第１０スイッチ６４５、第１１スイッチ６４６、第１２スイッチ６４７、第１３スイッチ６４８、および第１４スイッチ６４９を含む。
【００２７】
系統電源２００の電力は、燃料電池用ブレーカ３３０、第５スイッチ６４０、および第７スイッチ６４２を通って燃料電池４００に供給される。第５スイッチ６４０は、燃料電池用ブレーカ３３０と第７スイッチ６４２とを結ぶ経路を電気的に切断するか否かを切り換えるスイッチである。また第７スイッチ６４２は、系統電源２００の電力を燃料電池４００に供給するか、または蓄電池５３０の電力を燃料電池４００に供給するかを選択的に切り換えるスイッチである。図１は系統電源２００が通電中における燃料電池システム１００を図示しているため、第７スイッチ６４２は、系統電源２００からの電力を燃料電池４００に供給することを選択している。
【００２８】
系統電源２００の電力はまた、自立用ブレーカ３２０、第９スイッチ６４４、および第８スイッチ６４３に至る。第８スイッチ６４３を通過した電力は、第１１スイッチ６４６を経由して自立負荷７５０に供給される。第８スイッチ６４３を通過した電力はまた、第１２スイッチ６４７を経由して貯湯ユニット８００に供給される。第８スイッチ６４３を通過した電力はさらに、第１３スイッチ６４８を経由して給湯器８５０にも供給される。
【００２９】
第９スイッチ６４４は、自立用ブレーカ３２０と第８スイッチ６４３とを結ぶ経路を電気的に切断するか否かを切り換えるスイッチである。第８スイッチ６４３は、系統電源２００の電力と蓄電池５３０の電力とのいずれの電力を、自立負荷７５０、貯湯ユニット８００、または給湯器８５０に供給するかを選択的に切り換えるスイッチである。図１は系統電源２００が通電中における燃料電池システム１００を図示しているため、第８スイッチ６４３は、系統電源２００からの電力を選択している。
【００３０】
実施の形態に係る燃料電池４００は、動作時に２００Ｖの交流電力を要する。一方、蓄電池ユニット５００のＤＣ／ＡＣインバータ５４０が変換する電力は１００Ｖである。このため、トランス６２０は、１００Ｖの交流電力を２００Ｖの交流電力に変換する。詳細は後述するが、蓄電池ユニット５００の端子５９０を介して供給された電力は、第８スイッチ６４３、第６スイッチ６４１を介してトランス６２０に至る。またトランス６２０が変換した２００Ｖの交流電源は第７スイッチ６４２を経由して燃料電池４００に供給される。
【００３１】
第６スイッチ６４１は、蓄電池５３０の電力をトランス６２０に供給するか否かを切り換えるスイッチである。図１は系統電源２００が通電中における燃料電池システム１００を図示しているため、第６スイッチ６４１はオフとなっている。そもそも、系統電源２００が通電中は第８スイッチ６４３が系統電源２００側を選択しており、切替ユニット６００は蓄電池ユニット５００と電気的に切断されている。
【００３２】
第１電力検出部６３０は、燃料電池４００に供給される電力を検出する。より具体的に、第１電力検出部６３０は、燃料電池用ブレーカ３３０を介して系統電源２００から燃料電池４００に供給される電力の電圧や、トランス６２０が出力する電力の電圧を検出する。第２電力検出部６３５は、端子５９０および第９スイッチ６４４を介して切替ユニット６００に供給される蓄電池ユニット５００の電力の電圧を検出する。
【００３３】
第１４スイッチ６４９は、系統電源２００が停電中に、燃料電池４００が発電した電力を蓄電池ユニット５００に直接的に供給するか否かを切り換えるスイッチである。図１は系統電源２００が通電中における燃料電池システム１００を図示しているため、第１４スイッチ６４９はオフとなっている。第１０スイッチ６４５は、蓄電池ユニットが供給する蓄電池５３０の電力を、非常灯９００に供給するか否かを切り換えるスイッチである。
【００３４】
切替制御部６１０は、切替ユニット６００の動作を統括的に制御する。具体的には、切替制御部６１０は、第１電力検出部６３０や第２電力検出部６３５が検出した電圧をもとに、第５スイッチ６４０、第６スイッチ６４１、第７スイッチ６４２、第８スイッチ６４３、第９スイッチ６４４、第１０スイッチ６４５、第１１スイッチ６４６、第１２スイッチ６４７、第１３スイッチ６４８、および第１４スイッチ６４９の開閉を制御する。切替制御部６１０はまた、燃料電池４００の動作を停止することを指示する停止信号を燃料電池４００に送信することもある。切替制御部６１０は、例えば既知のマイコン等によって実現される。
【００３５】
燃料電池４００は、電解質膜である固体高分子膜を燃料極と空気極との間に配した基本構造を有する。燃料電池４００は、ＬＰＧ（Liquefied Petroleum Gas）や都市ガスなどの原燃料（炭化水素系燃料）を改質し、水素（燃料）を約８０％含有する改質ガスを生成する。燃料電池４００は、この改質ガスと空気中の酸素（酸化剤）とを用いて以下の電気化学反応により発電する。
燃料極：Ｈ２→２Ｈ＋＋２ｅ− ・・・（１）
空気極：１／２Ｏ２＋２Ｈ＋＋２ｅ−→Ｈ２Ｏ ・・・（２）
【００３６】
改質ガスの生成や、上記化学反応を安定的に起こさせるために、燃料電池４００は図示しない燃焼部（ヒータまたはバーナ）を備える。燃料電池４００は、発電時に燃焼部から発生する熱を、お湯（４０℃以上の水）というかたちで熱回収して貯湯ユニット８００に貯湯する。したがって実施の形態に係る燃料電池システム１００は、発電システムのみならず、家庭の給湯システムとしても機能する。このため燃料電池４００は給湯器８５０と併存するのが一般的であり、燃料電池４００のコントローラは給湯器８５０のコントローラ（不図示）と一体か、近傍に設置される。ユーザがお湯を利用するとき、貯湯ユニット８００にお湯が貯まっている場合、お湯は貯湯ユニット８００から供給される。貯湯ユニット８００にお湯が貯まっていない場合、給湯器８５０が動作してお湯を提供する。したがって、給湯器８５０は一般的なガス湯沸かし器である。
【００３７】
以上のように、燃料電池４００は、貯湯ユニット８００や給湯器８５０のように、燃料電池４００の動作を補助する補助ユニットと協働する。特に、貯湯ユニット８００は燃料電池４００の排熱機構を担い、燃料電池４００の動作の安全性を担保する。また、給湯器８５０はそのコントローラが燃料電池４００のコントローラを兼ねることが多く、燃料電池４００のユーザインタフェースとして重要である。なお、主分電盤３００、蓄電池ユニット５００、および切替ユニット６００は、アース線９５０によって接地されている。
【００３８】
次に、実施の形態に係る燃料電池システム１００の動作に関し、特に系統電源２００が通電状態から停電状態となるとき、すなわち系統電源２００からの電力供給が停止したときの動作について説明する。
【００３９】
上述したとおり、図１は系統電源２００が通電中における燃料電池システム１００を図示している。系統電源２００が通電中は、系統電源２００と燃料電池４００とは第５スイッチ６４０および第７スイッチ６４２を通る経路で電気的に接続されている。このため、燃料電池４００の起動に要する電力は、系統電源２００から供給される。また、燃料電池４００が起動して発電を開始すると、その電力は第７スイッチ６４２および第５スイッチ６４０を通る経路を通って主分電盤３００に戻る。その後、燃料電池４００が発電した電力は、主分電盤３００から通常負荷７００や自立負荷７５０、貯湯ユニット等に供給される。
【００４０】
図２は、系統電源２００が停電した直後における、燃料電池システム１００の通電状態を模式的に示す図である。図２は特に、系統電源２００が停電する前に燃料電池４００が発電を開始していない場合における燃料電池システム１００の通電状態を示している。
【００４１】
燃料電池システム１００は、夜間等の電力消費やお湯の消費が少ない時間帯においては、燃料電池４００を停止することがある。これは、夜間等は電気代が低額であることがひとつの理由である。また別の理由として、燃料電池４００は動作中に副産物としてお湯ができることもあげられる。ユーザによるお湯の消費量が少ないと貯湯ユニット８００が満杯となり、燃料電池４００を動作させることができなくなるからである。
【００４２】
系統電源２００が停電した直後は、系統電源２００から電力供給があることを前提とした回路構成が維持されている。このため図２に示すように、系統電源２００が停電した直後において、燃料電池４００の発電がない場合には、燃料電池システム１００のいずれの回路にも電流は流れていない。
【００４３】
図３は、系統電源２００の停電を検知し、自立モードに移行途中の燃料電池システム１００の通電状態を模式的に示す図である。蓄電池ユニット５００は図示しない電力検出部を備えており、その電力検出部は系統電源２００の停電を検知する。系統電源２００の停電を検知すると、所定の時間（例えば５秒間）後、蓄電池制御部５１０は自立モードに移行する。自立モードに移行すると、蓄電池制御部５１０は各スイッチを制御して、蓄電池ユニット５００を自立モードの回路構成に変更する。
【００４４】
ここで「自立モード」とは、系統電源２００が停電したときに、系統電源２００が供給する交流電力の振幅や周波数に依存せず、燃料電池４００や蓄電池ユニット５００が自立的に交流電力を出力する動作モードをいう。図３に示すように、蓄電池ユニット５００が自立モードに移行すると、蓄電池制御部５１０は第１スイッチ５５０を自立用ブレーカ３２０を結ぶ経路から切り離すとともに、第２スイッチ５６０をオンにする。同時に蓄電池制御部５１０は、第３スイッチ５７０をオフにする。これにより、蓄電池５３０の直流電力がＤＣ／ＡＣインバータ５４０で交流電力に変換され、端子５９０と切替ユニット６００の第８スイッチ６４３とを結ぶ経路に出力される。
【００４５】
第１電力検出部６３０および第２電力検出部６３５が系統電源２００の停電を検知すると、切替ユニット６００の切替制御部６１０は自立モードに移行する。自立モードに移行すると、切替制御部６１０は、第５スイッチ６４０と第９スイッチ６４４とをオフにして、切替ユニット６００を主分電盤３００から電気的に切断する。同時に切替制御部６１０は第８スイッチ６４３を切り換える。これにより、蓄電池ユニット５００の交流電力は貯湯ユニット８００および給湯器８５０に供給される。
【００４６】
上述したように、貯湯ユニット８００や給湯器８５０は、燃料電池４００の動作を補助する補助ユニットである。このため、実施の形態に係る燃料電池４００には、その起動シーケンスにおいて、燃料電池４００に備えられた通信ユニット（不図示）が、貯湯ユニット８００および給湯器８５０に備えられた通信ユニット（不図示）に対して、通信可能か否かを確認する。もし、燃料電池４００の起動時に補助ユニットとの通信が可能でない場合、燃料電池４００は、起動シーケンスにおいて停止し、起動することができない。
【００４７】
そこで切替制御部６１０は、貯湯ユニット８００や給湯器８５０等の補助ユニットに電力を供給した後に、燃料電池４００に電力を供給する。これを実現するために、切替制御部６１０は、図３に示すように、第６スイッチ６４１をオンにする前に、まず第１２スイッチ６４７および第１３スイッチ６４８をオンにする。
【００４８】
ここで貯湯ユニット８００や給湯器８５０は、内部にコンデンサ等を備えている。このため、貯湯ユニット８００や給湯器８５０に電力を供給するとき、大きな突入電力が生じる場合がある。もし、貯湯ユニット８００と給湯器８５０とに同時に電力供給を開始すると、これらの突入電力の合計がＤＣ／ＡＣインバータ５４０の最大出力を越える恐れがある。
【００４９】
そこで切替制御部６１０は、貯湯ユニット８００と給湯器８５０とを順番に電力を供給する。例えば切替制御部６１０は、貯湯ユニット８００にまず電力を供給し、続いて給湯器８５０に電力を供給する。これを実現するために、切替制御部６１０は、系統電源２００の停電を検知すると、まず第１１スイッチ６４６、第１２スイッチ６４７、および第１３スイッチ６４８をオフにする。続いて切替制御部６１０は、まず第１２スイッチ６４７をオンにし、しかる後に第１３スイッチをオンにする。これにより、貯湯ユニット８００や給湯器８５０の突入電力の合計が、ＤＣ／ＡＣインバータ５４０の最大出力を越えてしまうことを防止できる。
【００５０】
なお、図３においては、第１０スイッチ６４５がオフであり、非常灯９００に蓄電池５３０の電力が供給されていない。しかしながら、蓄電池５３０の容量が十分にある場合には、燃料電池４００が発電可能となる前であっても、切替制御部６１０は第１０スイッチ６４５をオンにし、非常灯９００を点灯してもよい。
【００５１】
図４は、系統電源２００の停電を検知し、自立モードに移行した燃料電池システム１００の通電状態を模式的に示す図である。切替制御部６１０は、第１２スイッチ６４７および第１３スイッチ６４８をオンにした後に、第６スイッチ６４１をオンにする。これにより、蓄電池ユニット５００の交流電力がトランス６２０に供給される。トランス６２０は入力された交流電力の電圧を変換し、変換した電力を燃料電池４００の起動のために供給する。このとき、貯湯ユニット８００および給湯器８５０には電力が供給されているので、燃料電池４００はこれらの補助ユニットと通信可能である。このため、燃料電池４００は起動することができる。具体的には、燃料電池４００は図示しない燃焼部を燃焼させ、改質ガスの生成や化学反応を安定的に起こるように燃料電池４００の温度を上昇させる。
【００５２】
図５は、自立モードにおける燃料電池システム１００において、燃料電池４００が発電を開始したときの通電状態を模式的に示す図である。切替制御部６１０は、図示しない通信線によって燃料電池４００を制御するマイコン（不図示）や、蓄電池制御部５１０と通信することができる。切替制御部６１０は燃料電池４００から発電可能である旨の通信を受信すると、蓄電池制御部５１０にその旨を通知する。蓄電池制御部５１０は第２スイッチ５６０をオフにすることにより、蓄電池５３０の電力を切替ユニット６００に供給することを停止する。これにより、燃料電池４００は、動作に必要な電力を、自身が発電する電力で賄うようになる。また貯湯ユニット８００および給湯器８５０の動作に必要な電力も、燃料電池４００が発電する電力によって賄われる。
【００５３】
切替制御部６１０はまた、燃料電池４００から発電可能である旨の通信を受信すると、第１１スイッチ６４６をオンにする。これにより、電力供給の優先順位が高い負荷である自立負荷７５０に燃料電池４００が発電する電力が供給される。
【００５４】
なお、燃料電池４００の種類によっては、交流電源を出力するために基準となる基準電力を必要とするものも存在する。ここで「基準電力」とは、燃料電池４００が出力すべき交流電力の振幅および周波数を定める電力である。燃料電池４００が基準電力の入力が必要とする場合、蓄電池５３０の電力で賄われる。このような場合、燃料電池４００から発電可能となった後も、第２スイッチ５６０はオフとならず蓄電池５３０から燃料電池４００に基準電力が供給される。
【００５５】
図６は、自立モードにおける燃料電池システム１００において、燃料電池４００の発電量に余力がある場合における通電状態を模式的に示す図である。燃料電池４００の発電量が、自立負荷７５０、貯湯ユニット８００、給湯器８５０、および非常灯９００等の各負荷の消費電力を上回る場合、切替制御部６１０は、第１４スイッチ６４９をオンにする。切替制御部６１０はまた、燃料電池４００の発電量に余力がある旨を蓄電池制御部５１０に通知し、蓄電池ユニット５００内の第４スイッチ５８０をオンにさせる。これにより、燃料電池４００が発電する電力の余剰電力で、蓄電池ユニット５００の蓄電池５３０を充電することができる。
【００５６】
上述したように、燃料電池４００は反応式（１）および反応式（２）に基づく化学反応を利用して発電する。一般に、反応式（１）および反応式（２）に基づく化学反応の応答速度は、例えばリチウムイオン電池等の放電の応答速度と比較して、非常に遅い速度である。このため、負荷の消費電力が急激に増加した場合、燃料電池４００の発電量が負荷の消費電力に追いつかなくなる恐れもある。
【００５７】
図７は、自立モードにおける燃料電池システム１００において、燃料電池４００の発電電力が負荷に供給すべき電力を下回る場合における通電状態を模式的に示す図である。切替制御部６１０は、燃料電池４００の発電電力が負荷に供給すべき電力を下回る場合、その旨を蓄電池制御部５１０に通知する。蓄電池制御部５１０は、図７に示すように、切替制御部６１０から通知を受信すると、第２スイッチ５６０をオンにする。これにより、蓄電池５３０の電力を負荷に供給する電流経路が導通し、燃料電池４００が供給する電力に加えて、蓄電池５３０の電力も負荷に供給することができる。蓄電池５３０の蓄電量は、燃料電池４００が発電する電力のいわば「バッファ」として機能する。系統電源２００の停電時における電力供給を安定化することができる。
【００５８】
以上、実施の形態に係る燃料電池システム１００の動作に関し、特に系統電源２００が通電中に停電となったとき、すなわち系統電源２００からの電力供給が停止したときの動作について説明した。系統電源２００が復電した場合、蓄電池制御部５１０および切替制御部６１０は各スイッチを切り換えて、図１に示す回路構成に復旧する。
【００５９】
次に、実施の形態に係る燃料電池システム１００の機能構成について説明する。
【００６０】
図８は、実施の形態に係る燃料電池システム１００の機能構成を模式的に示す図である。実施の形態に係る燃料電池システム１００は、系統電源２００、燃料電池４００、蓄電池５３０、制御装置６０、負荷７０、および補助ユニット８０を含む。
【００６１】
図８は、実施の形態に係る燃料電池システム１００を実現するための機能構成を示しており、その他の構成は省略している。図８において、さまざまな処理を行う機能ブロックとして記載される各要素は、ハードウェア的には、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、メインメモリ、その他のＬＳＩ（Large Scale Integration）で構成することができる。またソフトウェア的には、メインメモリにロードされたプログラム等によって実現される。したがって、これらの機能ブロックがハードウェアのみ、ソフトウェアのみ、またはそれらの組み合わせによっていろいろな形で実現できることは当業者には理解されるところであり、いずれかに限定されるものではない。
【００６２】
制御装置６０は、第１電力供給部６１、第２電力供給部６２、系統電源検出部６３、および発電検出部６４を備える。
【００６３】
第１電力供給部６１は、燃料電池４００の起動シーケンスにおいて、燃料電池４００から通信可能であるかが確認される補助ユニット８０に電力を供給する。ここで補助ユニット８０は、複数の補助サブユニットを有し、少なくとも第１補助サブユニット８１と第２補助サブユニット８２とを有する。ここで第１補助サブユニット８１と第２補助サブユニット８２とは、上述した貯湯ユニット８００および給湯器８５０に対応する。
【００６４】
第１電力供給部６１は、系統電源２００が通電中の場合は、第９スイッチ６４４、第８スイッチ６４３、第１２スイッチ６４７、および第１３スイッチ６４８を介して貯湯ユニット８００および給湯器８５９に系統電源２００の電力を供給する。第１電力供給部６１は、系統電源２００が停電中の場合は、第２スイッチ５６０、第１スイッチ５５０、第８スイッチ６４３、第１２スイッチ６４７、および第１３スイッチ６４８を介して貯湯ユニット８００および給湯器８５９に蓄電池５３０の電力を供給する。したがって、第１電力供給部６１は、上述した切替制御部６１０、第９スイッチ６４４、第８スイッチ６４３、第１２スイッチ６４７、第１３スイッチ６４８、蓄電池制御部５１０、第２スイッチ５６０、第１スイッチ５５０、およびＤＣ／ＡＣインバータ５４０によって実現される。
【００６５】
第２電力供給部６２は、燃料電池４００に電力を供給する。具体的に第２電力供給部６２は、系統電源２００が通電中の場合は、第５スイッチ６４０および第７スイッチ６４２を通る経路を介して系統電源２００の電力を燃料電池４００に供給する。第１電力供給部６１は、系統電源２００が停電中の場合は、第９スイッチ６４４、第８スイッチ６４３、トランス６２０、および第７スイッチ６４２を通る経路を介して蓄電池５３０の電力を燃料電池４００に供給する。したがって、第２電力供給部６２は、上述した切替制御部６１０、第５スイッチ６４０、第６スイッチ６４１、第７スイッチ６４２、第８スイッチ６４３、トランス６２０、蓄電池制御部５１０、第１スイッチ５５０、第２スイッチ５６０、およびＤＣ／ＡＣインバータ５４０によって実現される。
【００６６】
上述したとおり、燃料電池４００の起動シーケンスでは、燃料電池４００に電力が供給される前に、補助ユニットに電力が供給されていることを要求する。したがって、第２電力供給部６２は、第１電力供給部６１が補助ユニット８０に電力を供給した後に、燃料電池４００に電力を供給する。また第１電力供給部６１は、第１補助サブユニット８１と第２補助サブユニット８２とに電力の供給を開始するときは、順番に電力を供給する。これにより、突入電力の合計が、ＤＣ／ＡＣインバータ５４０の最大出力を越えてしまうことを防止できる。
【００６７】
系統電源検出部６３は、系統電源２００からの電力供給があるか否かを検出する。したがって、系統電源検出部６３は上述した第１電力検出部６３０によって実現される。第１電力供給部６１は、系統電源検出部６３が系統電源２００からの電力供給がないことを検出した場合、補助ユニット８０に蓄電池５３０の電力を供給する。これにより、燃料電池４００が起動し、系統電源２００に代わって負荷７０に電力を供給できるようになる。なお、負荷７０は上述した通常負荷７００および自立負荷７５０である。
【００６８】
発電検出部６４は、燃料電池４００が発電可能であるか否かを検出する。上述したように、切替制御部６１０は、図示しない通信線によって燃料電池４００を制御するマイコンと通信することができ、燃料電池４００が発電可能となった場合はその旨を受信する。したがって、発電検出部６４は上述した切替制御部６１０によって実現される。第１電力供給部６１は、燃料電池４００が発電可能であることを発電検出部６４が検出した場合、燃料電池４００が発電した電力を補助ユニット８０に供給する。
【００６９】
図９は、実施の形態に係る制御装置６０が実行する燃料電池４００の起動処理の流れを示すフローチャートである。本フローチャートにおける処理は、例えば制御装置６０が起動したときに開始する。
【００７０】
系統電源検出部６３は、系統電源２００が供給する電力の電圧を検出する（Ｓ２）。系統電源２００が供給する電力の電圧が低くなることにより、系統電源検出部６３が系統電源２００からの電力供給がないことを検出した場合、すなわち系統電源２００が通電中でない場合（Ｓ４のＮ）、第１電力供給部６１は補助ユニット８０に蓄電池５３０の電力を供給する（Ｓ６）。
【００７１】
第２電力供給部６２は、第１電力供給部６１が補助ユニット８０に電力を供給した後に、燃料電池４００に電力を供給して燃料電池４００を起動する（Ｓ８）。発電検出部６４は、燃料電池４００が発電可能か否かを確認する（Ｓ１０）。発電検出部６４が、燃料電池４００が発電可能であることが確認できない間（Ｓ１２のＮ）、ステップＳ１０に戻って燃料電池４００が発電可能か否かの確認を継続する。
【００７２】
発電検出部６４が、燃料電池４００が発電可能であることを確認すると（Ｓ１２のＹ）、第１電力供給部６１は、燃料電池４００が発電した電力を補助ユニット８０に供給する。燃料電池４００が発電した電力が補助ユニット８０に供給されるか、または系統電源２００が通電中の場合（Ｓ４のＹ）、本フローチャートにおける処理は終了する。
【００７３】
以上説明したように、実施の形態に係る燃料電池システム１００によれば、燃料電池４００の安全性を高める技術を提供することができる。
【００７４】
特に、燃料電池４００が安全に稼働するための補助ユニット８０を起動させた後に、燃料電池４００を起動することにより、燃料電池４００が安全に稼働することを担保できる。
【００７５】
以上、本発明を実施の形態をもとに説明した。この実施の形態は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組み合わせにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。
【００７６】
上記では、系統電源２００が通電状態から停電状態となるとき、すなわち系統電源２００からの電力供給が停止したときについて主に説明した。このため、図３において、貯湯ユニット８００および給湯器８５０の電力供給源が蓄電池５３０である場合を説明した。
【００７７】
ここで、燃料電池４００の動作の安全性を担保するために、燃料電池４００が起動する前に貯湯ユニット８００に電力を供給するという観点から見ると、電力供給源は蓄電池５３０でなくてもよい。以下変形例として、系統電源２００が通電中であり、かつ燃料電池４００および貯湯ユニット８００が停止しているときに、系統電源２００の電力を用いて燃料電池４００を起動する場合について説明する。
【００７８】
図１０は、系統電源２００が通電中において、燃料電池４００および貯湯ユニット８００が停止しているときの燃料電池システム１００の通電状態を模式的に示す図である。上述したように、貯湯ユニット８００は燃料電池４００の排熱機構を担い、燃料電池４００を補助するための装置である。したがって、変形例に係る貯湯ユニット８００は、系統電源２００が通電中であっても、燃料電池４００が停止しているときは停止している。このため、図１０において、第５スイッチ６４０および第１２スイッチ６４７はオフとなっている。
【００７９】
例えば燃料電池４００を起動する旨のユーザの明示的な指示があると、切替制御部６１０は、燃料電池４００に電力を供給する前に、まず貯湯ユニット８００を起動するための電力を供給する。
【００８０】
図１１は、系統電源２００が通電中において、燃料電池４００に電力を供給する前に貯湯ユニット８００が通電したときの燃料電池システム１００の通電状態を模式的に示す図である。図１１に示すように、切替制御部６１０は、第５スイッチ６４０をオンとする前に、第１２スイッチ６４７をオンとする。これにより、貯湯ユニット８００に系統電源２００の電力が供給され、貯湯ユニット８００が起動する。
【００８１】
切替制御部６１０は、第１２スイッチ６４７をオンとした後に、第５スイッチ６４０をオンとする。切替制御部６１０が第５スイッチ６４０をオンとすると、燃料電池システム１００の通電状態は図１に示す状態と同様となる。これにより、燃料電池４００の通信ユニットは、起動シーケンスにおいて貯湯ユニット８００および給湯器８５０に備えられた通信ユニットとの通信を確認することができる。これにより、燃料電池４００は起動することができる。
【００８２】
以上説明したように、系統電源２００の電力で燃料電池４００を起動する場合においても、まず補助ユニットである貯湯ユニット８００を起動するために電力を供給する。これにより、燃料電池４００の排熱機構が担保され、燃料電池４００の安全性を高めることができる。
【符号の説明】
【００８３】
６０  制御装置、  ６１  第１電力供給部、  ６２  第２電力供給部、  ６３  系統電源検出部、  ６４  発電検出部、  ７０  負荷、  ８０  補助ユニット、  ８１  第１補助サブユニット、  ８２  第２補助サブユニット、  １００  燃料電池システム、  ２００  系統電源、  ３００  主分電盤、  ３１０  主幹ブレーカ、  ３２０  自立用ブレーカ、  ３３０  燃料電池用ブレーカ、  ３４０  通常負荷用ブレーカ、  ４００  燃料電池、  ５００  蓄電池ユニット、  ５１０  蓄電池制御部、  ５２０  充電器、  ５３０  蓄電池、  ５４０  ＤＣ／ＡＣインバータ、  ５５０  第１スイッチ、  ５６０  第２スイッチ、  ５７０  第３スイッチ、  ５８０  第４スイッチ、  ５９０  端子、  ６００  切替ユニット、  ６１０  切替制御部、  ６２０  トランス、  ６３０  第１電力検出部、  ６３５  第２電力検出部、  ６４０  第５スイッチ、  ６４１  第６スイッチ、  ６４２  第７スイッチ、  ６４３  第８スイッチ、  ６４４  第９スイッチ、  ６４５  第１０スイッチ、  ６４６  第１１スイッチ、  ６４７  第１２スイッチ、  ６４８  第１３スイッチ、  ６４９  第１４スイッチ、  ７００  通常負荷、  ７５０  自立負荷、  ８００  貯湯ユニット、  ８５０，８５９  給湯器、  ９００  非常灯、  ９５０  アース線。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2015170421.tif 000009
【図８】
2015170421.tif 000010
【図９】
2015170421.tif 000011
【図１０】
2015170421.tif 000012
【図１１】
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