(57)【要約】【課題】電池の出力電圧低下に伴う部品破損のおそれが少ない燃料電池発電システムを提供する。【解決手段】燃料電池発電部１で発電された直流電力を所定の交流電力に変換するパワーコンディショナ３を有する燃料電池発電システムであって、パワーコンディショナ３が、電力系統Ｐの停電時に燃料電池発電部１の補機２を起動させる電源として電池４を備えるものにおいて、パワーコンディショナの制御部（ＰＣ制御部）３８が電池４の出力電圧を監視するように構成し、電池４の出力電圧が所定値以下になると、補機２の制御部（補機制御部）２３に対して、補機２の起動を停止させる停止指令を出力するように構成する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池発電部と、前記燃料電池発電部で発電された直流電力を所定の交流電力に変換するパワーコンディショナとを有する燃料電池発電システムであって、
前記パワーコンディショナが、前記電力系統の停電時に前記燃料電池発電部の補機を起動させる電源として電池を備えるものにおいて、
前記パワーコンディショナの制御部は、前記補機の制御を行う補機制御部との通信手段と、前記電池の出力電圧を検出する電圧検出手段とを備え、
前記燃料電池発電部の補機の起動中に、前記電圧検出手段で検出される電池の出力電圧が所定値以下になると、前記通信手段を介して、前記補機制御部に対して、前記補機の起動を停止させる停止指令を出力する制御構成を備えたことを特徴とする燃料電池発電システム。
【請求項２】
前記補機制御部は、前記パワーコンディショナの制御部からの停止指令を受け付けると、前記補機のうちのガス供給ブロワおよび水供給ポンプを停止させるとともに、空気供給用ファンを所定時間動作させた後に停止させる制御構成を有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】
前記電池の出力電圧が所定値以下になると、その旨を報知する報知手段を備えていることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池発電システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は燃料電池発電システムに関し、より詳細には、電力系統の停電時において、燃料電池発電部の補機を起動させる電源を備えた燃料電池発電システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、家庭向けの燃料電池コージェネレーションシステムが普及しつつある。この種の燃料電池コージェネレーションシステムは、周知のとおり、燃料電池発電部で発電を行いながら、発電時に発生する排熱を回収して温水を生成するようになっており、一般に、燃料電池発電部を備えた燃料電池ユニット（燃料電池発電システム）と、貯湯槽を備えた貯湯ユニットの２つのユニットで構成されている（たとえば、特許文献１参照）。
【０００３】
図２は、このような燃料電池コージェネレーションシステムにおける燃料電池ユニットの電気系統の回路構成を示している。具体的には、この図２に示す燃料電池コージェネレーションシステムは、電力系統Ｐが停電している状態でも燃料電池発電部１を起動できるように（つまり、燃料電池発電部１の補機２を起動できるように）、パワーコンディショナ３に外部から接続する電池（バッテリ）４が備えられている。
【０００４】
すなわち、この燃料電池コージェネレーションシステムでは、パワーコンディショナ３には電池４から入力される電圧を昇圧する昇圧回路部３４が備えられており、この昇圧回路部３４で昇圧された電力が、コンバータ回路部３１とインバータ回路部３２の間のＤＣリンク部を介して、補機２の補機制御基板２１に与えられ、補機制御基板２１から補機２に対して起動用の電力が供給されるように構成されている。つまり、電力系統Ｐの停電時には、電池４をパワーコンディショナ３に接続することによって補機２の起動ができるようになっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１３−９７９４２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、このような従来の燃料電池コージェネレーションシステムには以下のような問題があり、その改善が望まれていた。
【０００７】
すなわち、パワーコンディショナ３に備えられる昇圧回路部３４は、電池４の定格出力（たとえば、１２Ｖ定格）に基づいて設計されるところ、電池４が劣化して出力電圧が低下したときでも、補機２の起動に必要な電力は一定であるため、電池４の出力電圧の低下に伴って電池４から出力される電流が増加してしまう。そのため、このような電流の増加によって昇圧回路部３４の部品（たとえば、トランスやＦＥＴなど）に定格を超える電流が流れることがあり、その結果、温度上昇によって部品が破損するおそれがあった。
【０００８】
本発明は、このような従来の問題点に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、電池の出力電圧低下に伴う部品破損のおそれが少ない燃料電池発電システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するため、本発明の請求項１に記載の燃料電池発電システムは、燃料電池発電部と、上記燃料電池発電部で発電された直流電力を所定の交流電力に変換するパワーコンディショナとを有する燃料電池発電システムであって、上記パワーコンディショナが、上記電力系統の停電時に上記燃料電池発電部の補機を起動させる電源として電池を備えるものにおいて、上記パワーコンディショナの制御部は、上記補機の制御を行う補機制御部との通信手段と、上記電池の出力電圧を検出する電圧検出手段とを備え、上記燃料電池発電部の補機の起動中に、上記電圧検出手段で検出される電池の出力電圧が所定値以下になると、上記通信手段を介して、上記補機制御部に対して、上記補機の起動を停止させる停止指令を出力する制御構成を備えたことを特徴とする。
【００１０】
この請求項１に記載の燃料電池発電システムでは、燃料電池発電部の補機の起動中に電圧検出手段で検出される電池の出力電圧が所定値以下になると、パワーコンディショナの制御部が、補機制御部に対して補機の起動を停止させる停止指令を出力するので、電池の出力電圧低下に伴う電流増加によって部品が破損することが解消される。
【００１１】
本発明の請求項２に記載の燃料電池発電システムは、請求項１に記載の燃料電池発電システムにおいて、上記補機制御部は、上記パワーコンディショナの制御部からの停止指令を受け付けると、上記補機のうちのガス供給ブロワおよび水供給ポンプを停止させるとともに、空気供給用ファンを所定時間動作させた後に停止させる制御構成を有することを特徴とする。
【００１２】
この請求項２に記載の燃料電池発電システムでは、パワーコンディショナの制御部からの停止指令によって補機のガス供給ブロワと水供給ポンプが停止した後も空気供給用ファンは所定時間動作して補機内に充満したガスを排出するので、補機が危険な状態（ガスが充満した状態）で放置されるのが防止され、補機を安全に停止させることができる。
【００１３】
本発明の請求項３に記載の燃料電池発電システムは、上記電池の出力電圧が所定値以下になると、その旨を報知する報知手段を備えていることを特徴とする。
【００１４】
この請求項３に記載の燃料電池発電システムでは、電池の出力電圧が所定値以下になるとその旨が報知手段によって報知されるので、この報知によってユーザは電池の劣化（出力電圧低下）を認識することができ、新しい電池と交換するなどの対応をとることができる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、電力系統の停電時に補機を起動させる電池の出力電圧が所定値以下になると、補機の起動中であっても補機の起動が停止されるので、電池の出力電圧低下に伴う電流増加によって部品が破損するのが防止される。
【００１６】
また、補機の停止にあたっては、ガス供給ブロワと水供給ポンプを停止させた後も空気供給ファンが所定時間動作して補機内のガスが排出されるので、補機の起動中に補機が停止しても安全が確保される。
【００１７】
さらに、電池の出力電圧の低下が検出されたときはその旨が報知されるので、ユーザは電池を交換するなどの対応を取って、補機（燃料電池発電部）の再起動を試みることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明に係る燃料電池発電システムを適用した燃料電池コージェネレーションシステムの電気系統の概略構成を示す回路ブロック図である。
【図２】従来の燃料電池コージェネレーションシステムの電気系統の概略構成を示す回路ブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
図１は、本発明に係る燃料電池発電システムを適用した燃料電池コージェネレーションシステムの電気系統の概略構成を示している。図１に示すように、燃料電池コージェネレーションシステムは、燃料電池ユニットＡと貯湯ユニットＢの２つのユニットで構成されている。
【００２０】
燃料電池ユニットＡは、燃料電池を備えて発電を行うユニットであって、燃料電池発電部１と、燃料電池発電部１を動作させるための補機２と、燃料電池発電部１で発電された直流電力を所定の交流電力に変換するパワーコンディショナ３とを主要部として備えている。
【００２１】
ここで、燃料電池発電部１は、周知のとおり、水素（水素リッチガス）と酸素（空気）の電気化学反応によって得られる電気エネルギを直流電力として取り出す発電装置であって、本実施形態では、この燃料電池発電部１として固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）が用いられている。
【００２２】
補機２は、燃料電池発電部１を動作させるための周辺機器であって、この補機２には、水蒸気改質法により水素リッチガスを生成する燃料改質装置（図示せず）が含まれており、燃料改質装置に燃料となる都市ガスを供給するガス供給ブロワや、改質用水を供給する水供給ポンプ、さらには燃料改質装置や燃料電池発電部１に空気を供給するターボファン（空気供給用ファン）などが備えられている（図１参照）。
【００２３】
補機制御基板２１は、これら補機２に対して電力を供給する補機電源部２２と、これら補機２の動作を制御する補機制御部２３とを備えた制御基板であって、補機電源部２２はパワーコンディショナ３のＤＣリンク部（コンバータ回路部３１とインバータ回路部３２の間に配されるＤＣリンクコンデンサ３６のコンバータ回路部３１側）に接続され、ＤＣリンク部から電源供給を受けて補機２に電源を供給する電源装置で構成されている。
【００２４】
補機制御部２３は、補機２を制御するための制御プログラムを備えたマイコン（図示せず）を有する制御装置であって、この補機制御部２３は、図示しない通信手段を備えており、この通信手段によって、後述するパワーコンディショナ３の制御部（ＰＣ制御部）３８および貯湯ユニットＢの制御部（貯湯制御部）５１と通信可能に接続され、これらの制御部３８，５１と制御情報をやり取りしながら補機２の動作を制御するようになっている。
【００２５】
パワーコンディショナ３は、燃料電池発電部１で発電された直流電力を商用電源などの電力系統Ｐに連系可能な交流電力に変換する系統連系インバータ装置である。このパワーコンディショナ３は、図１に示すように、コンバータ回路部３１と、インバータ回路部３２と、ＰＣ制御基板３３と、昇圧回路部３４と、ダイオードブリッジ回路３５とを主要部として構成される。
【００２６】
コンバータ回路部３１は、燃料電池発電部１で発電された直流電力を所定電圧まで昇圧させるＤＣ／ＤＣコンバータ回路で構成される。また、インバータ回路部３２は、コンバータ回路部３１で昇圧された直流電圧を電力系統Ｐに連系可能な交流電力に変換するＤＣ／ＡＣインバータ回路で構成される。なお、このインバータ回路部３２は、ＤＣリンクコンデンサ３６（ＤＣリンク部）を介してコンバータ回路部３１と接続されている。
【００２７】
ＰＣ制御基板３３は、パワーコンディショナ３の各部に電力を供給するＰＣ電源部３７と、パワーコンディショナ３の各部を制御するＰＣ制御部３８とを備えた制御基板であって、ＰＣ電源部３７は、補機電源部２２と同様に、パワーコンディショナ３のＤＣリンク部に接続され、ＤＣリンク部から電源供給を受けてパワーコンディショナ３の各部に電源を供給する電源装置で構成されている。
【００２８】
ＰＣ制御部３８は、パワーコンディショナ３の各部を制御するための制御プログラムを備えたマイコン（図示せず）を有する制御装置であって、このＰＣ制御部３８は、図示しない通信手段を備えており、この通信手段によって、上記補機制御部２３および補機制御部２３を介して貯湯制御部５１と通信可能に接続されており、これらの制御部２３，５１と制御情報をやり取りしながらパワーコンディショナ３の動作を制御するようになっている。
【００２９】
昇圧回路部３４は、電池４の出力電圧をＤＣリンク部の電圧まで昇圧する昇圧回路で構成されており、その入力側には電池４を着脱可能に接続する接続端子（図示せず）が備えられるとともに、出力側はＤＣリンク部（具体的には、ＤＣリンクコンデンサ３６のコンバータ回路部３１側）に接続されている。そして、本実施形態では、この昇圧回路部３４には、電池４の出力電圧を検出する電圧センサ４０（電圧検出手段）が備えられており、この電圧センサ４０で検出された電圧値がＰＣ制御部３８に入力され、ＰＣ制御部３８において、電池４の出力電圧（昇圧回路部３４への入力電圧）を監視できるようになっている。
【００３０】
ダイオードブリッジ回路３５は、電力系統Ｐが正常な（非停電の）ときに、電力系統Ｐから補機２の起動用の電源を得るための整流回路であって、その入力側が切替スイッチ３９を介して電力系統Ｐに接続されるとともに、その出力側がＤＣリンク部（具体的には、ＤＣリンクコンデンサ３６のインバータ回路部３２側）に接続されている。
【００３１】
電池４は、電力系統Ｐの停電時に、補機２を起動するための電源であって、この電池４としては、二次電池（たとえば、ニッケル・カドミウム蓄電池などのバッテリ）が好適に用いられる。なお、この電池４は、上述したように、昇圧回路部３４に着脱可能に接続されるものであり、後述する出力電圧の低下があったときには、新しい電池４と交換できるようになっている。
【００３２】
一方、貯湯ユニットＢは、図示しない貯湯槽や補助熱源機などを備えたユニットであって、この貯湯ユニットＢには、貯湯ユニットの各部を制御する貯湯制御部５１が備えられている。この貯湯制御部５１は、制御プログラムを備えたマイコン（図示せず）を有する制御装置で構成され、上記補機制御部２３および補機制御部２３を介してＰＣ制御部３８と通信可能に接続され、これらの制御部２３，３８と制御情報をやり取りしながら貯湯ユニットＢの動作を制御するようになっている。
【００３３】
そして、この貯湯制御部５１にはリモコン５２が接続されており、このリモコン５２によって燃料電池コージェネレーションシステムの遠隔制御（たとえば、燃料電池発電部１の停止の指示など）ができるようになっている。なお、このリモコン５２は、貯湯ユニットＢとは別体に構成されており、たとえば、屋内の壁面などに配設される。そして、このリモコン５２には、燃料電池コージェネレーションシステムの状況などを表示する表示部（図示せず）が備えられており、この表示部が後述する電池４の電圧低下などを報知する報知手段を構成している。
【００３４】
次に、このように構成された燃料電池コージェネレーションシステムの動作について説明する。
【００３５】
この燃料電池コージェネレーションシステムでは、燃料電池発電部１を起動させる場合、電力系統Ｐが正常（非停電）であれば、ＰＣ制御部３８は切替スイッチ３９をダイオードブリッジ回路３５側に接続させ、電力系統Ｐから得られる交流電力をダイオードブリッジ回路３５で整流してＤＣリンク部に供給する。このようにしてＤＣリンク部に供給された直流電力は補機電源部２２に供給され、補機電源部２２から起動（動作）用の直流電力として補機２に供給される。
【００３６】
そして、補機電源部２に起動用の電力が供給されると、ＰＣ制御部３８は、補機制御部２３に対して、補機を起動させる起動指令を出力する。補機制御部２３は、この起動指令に応じて補機２を起動させ、燃料電池発電部１での発電が開始される。
【００３７】
このようにして燃料電池発電部１での発電が開始されると、ＰＣ制御部３８は、上記切替スイッチ３９をインバータ回路部３２側に接続させる。これにより、燃料電池発電部１で発電され、パワーコンディショナ３で交流電力に変換された電力が電力系統Ｐに連系される。
【００３８】
このとき、コンバータ回路部３１で昇圧された直流電圧は、ＤＣリンク部を介して補機電源部２２にも供給されるので、補機電源部２２は、コンバータ回路部３１から得られる直流電力によって補機２の動作を継続させる。なお、このようにして燃料電池発電部１が発電を開始した後は、電力系統Ｐが停電しても補機２は燃料電池発電部１で発電された電力で動作を継続するので、燃料電池発電部１は発電を継続することができる。
【００３９】
これに対して、電力系統Ｐが停電しているときに燃料電池発電部１を起動する場合、本実施形態の燃料電池コージェネレーションシステムでは、パワーコンディショナ３の昇圧回路部３４に電池４を接続する。
【００４０】
すなわち、電池４を昇圧回路部３４に接続することにより、電池４から出力された直流電圧が昇圧回路部３４で昇圧されてＤＣリンク部に供給され、ＤＣリンク部を介して、補機電源部２２に供給される。これにより、補機電源部２２から補機２の起動（動作）用の直流電力が補機２に供給される。
【００４１】
そして、補機電源部２に電力が供給されると、ＰＣ制御部３８は、補機制御部２３に対して、補機を起動させる起動指令を出力する。補機制御部２３は、この起動指令に応じて補機２を起動させ、燃料電池発電部１で発電が開始される。このように、本実施形態の燃料電池コージェネレーションシステムでは、電力系統Ｐが停電していても、電池４を電源として補機２（燃料電池発電部１）の起動ができるようになっている。
【００４２】
ところで、このように補機２の起動用電源として電池４を用いる構成では、電池４が劣化等していると、補機２を動作させるために電流を引っ張ることにより、電池４の出力電圧が低下し、同じ電力量で補機２を動作させようとすると、電流が増大する。そして、このような電流の増大により、昇圧回路部３４の部品（たとえば、トランスやＦＥＴなど）に定格を超える電流が流れ、部品が破損するおそれがある。また、このようなことは、電池４の出力電圧が最初から低下していた場合にも起こり得る。
【００４３】
そのため、本実施形態に示す燃料電池コージェネレーションシステムでは、昇圧回路部３４に備えられる電圧センサ４０の検出値をＰＣ制御部３８が監視するように構成されており、この電圧センサ４０の検出値が所定値以下となった場合には、ＰＣ制御部３８は、補機制御部２３に対して、補機２の起動を停止させる停止指令を出力するように構成されている。
【００４４】
そして、このようにしてＰＣ制御部３８から停止指令が出力されると、この停止指令を受け付けた補機制御部２３は、停止指令に応じて所定の手順に従って補機２の起動（動作）を停止させる。具体的には、この停止手順は、燃料改質装置に燃料（都市ガス）を供給するガス供給ブロワおよび改質水を供給する水供給ポンプを停止させて燃料改質装置を停止させるとともに、これらの停止後も空気供給ファンを所定時間（たとえば、数十秒ないし数分程度）動作させる（所定時間経過後に停止させる）ようになっている。つまり、ガス供給ブロワ等の停止後も空気供給ファンを動作させることによって燃料改質装置などに残留するガスを放出するようにしている。そのため、本実施形態の燃料電池コージェネレーションシステムでは、補機２の起動中に電池４の出力電圧が低下して補機２を停止させる場合でも、補機２は安全に停止する。
【００４５】
そして、電池４の出力電圧低下を検出して停止指令を出力したＰＣ制御部３８は、この停止指令の出力と併せて、補機制御部２３および貯湯制御部５１を介して、リモコン５２に対して、電池４の出力電圧が低下している旨を伝達し、リモコン５２の表示部にその旨を表示させて電池４の交換をユーザに促すようになっている。
【００４６】
このように、本発明を適用した燃料電池コージェネレーションシステムによれば、電力系統Ｐの停電時に、電池４で補機２を起動する場合に、電池４の出力電圧が低下していると、補機２の起動中であっても補機２が停止するので、昇圧回路部３４に定格を超える電流が流れて部品が破損するおそれが解消される。
【００４７】
なお、上述した実施形態は本発明の好適な実施態様を示すものであって、本発明はこれに限定されることなく発明の範囲内で種々の設計変更が可能である。
【００４８】
たとえば、上述した実施形態では、リモコン５２の表示部を報知手段として電池４の出力電圧の低下を報知する構成を示したが、電池４の出力電圧の低下をユーザに認識できる態様で報知するものであれば、表示以外の方法（たとえば、ブザーのような音響発生装置による報知など）を用いることも可能である。また、リモコン５２以外の表示部に表示するように構成することもできる。
【００４９】
また、上述した実施形態では、電池４として、ニッケル・カドミウム蓄電池などのバッテリを用いる場合を示したが、他の態様の電池を用いることも勿論可能である。
【００５０】
さらに、上述した実施形態では、燃料電池発電部１として、固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）を用いた場合を示したが、ＳＯＦＣ以外の燃料電池（たとえば、固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）など）を用いることも可能である。
【符号の説明】
【００５１】
１              燃料電池発電部
２              補機
２１            補機制御基板
２２            補機電源部
２３            補機制御部
３              パワーコンディショナ
３１            コンバータ回路部
３２            インバータ回路部
３３            ＰＣ制御基板
３４            昇圧回路部
３５            ダイオードブリッジ回路
３６            ＤＣリンクコンデンサ
３７            ＰＣ電源部
３８            ＰＣ制御部（パワーコンディショナの制御部）
３９            切替スイッチ
４              電池
５１            貯湯制御部
５２            リモコン
Ａ              燃料電池ユニット
Ｂ              貯湯ユニット
【図１】
2015008045.tif 000003
【図２】
2015008045.tif 000004