(57)【要約】【課題】従来用いていた中性線欠相保護機能付き漏電ブレーカを削除しても、中性線欠相時に交流補機及び貯湯槽で故障のおそれが発生しないコスト低廉なコージェネレーションシステムを提供する。【解決手段】交流補機３５、４１を含んで構成された発電装置（燃料電池ユニット２）と、発電装置２から出力される電力を単相交流電力に変換して出力するパワーコンディショナ３Ａと、２本の電力線３Ｕ、３Ｖ及び１本の中性線３Ｎで構成される単相三線式電路３Ｃと、発電装置２の排熱により加熱された温水を貯留する貯湯槽４と、を備えるコージェネレーションシステム１であって、全ての交流補機３５、４１及び貯湯槽４を単相三線式電路３Ｃの一方の電力線３Ｕと中性線３Ｎとの間に片寄せして電気的に接続し、パワーコンディショナ３Ａの出力電圧の瞬時電圧上昇検出機能または瞬時電圧低下検出機能により中性線３Ｎが欠相したことを検出する。【選択図】図１
2013188038.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
単相交流電力で動作する交流補機を含んで構成された発電装置と、
前記発電装置から出力される電力を単相交流電力に変換して出力するパワーコンディショナと、
２本の電力線及び１本の中性線で構成され、前記パワーコンディショナから出力される単相交流電力を負荷設備及び前記発電装置の交流補機に供給する単相三線式電路と、
前記単相三線式電路のいずれかの電力線と前記中性線との間で電気的に接続され、前記発電装置の排熱により加熱された温水を貯留する貯湯槽と、
を備えるコージェネレーションシステムであって、
全ての前記交流補機及び前記貯湯槽を前記単相三線式電路の一方の電力線と前記中性線との間で電気的に片寄せして接続し、
前記パワーコンディショナの出力電圧の瞬時電圧上昇検出機能または瞬時電圧低下検出機能により前記単相三線式電路の前記中性線が欠相したことを検出するコージェネレーションシステム。 
【請求項２】
請求項１において、前記単相三線式電路の途中の前記貯湯槽への分岐点と、前記貯湯槽との間に専用の中継端子台を設けたコージェネレーションシステム。
【請求項３】
請求項１または２において、前記発電装置は燃料電池であるコージェネレーションシステム。 
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池やガスエンジンなどを用いて電力及び熱を発生するコージェネレーションシステムに関し、より詳細には、単相交流電力を出力する単相三線式電路の中性線欠相保護に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、省エネルギや二酸化炭素排出量削減を志向したコージェネレーションシステムの開発が進められており、一般の家庭への導入が始まっている。コージェネレーションシステムは、燃料電池やガスエンジンなどの発電装置と、発電装置から出力される電力を三相または単相交流電力に変換して出力するパワーコンディショナと、発電装置の排熱により加熱された温水を貯留する貯湯槽と、を備える場合が多い。パワーコンディショナは、インバータ装置を含んで構成され、燃料電池の直流出力やガスエンジンの交流出力を商用周波数（５０Ｈｚまたは６０Ｈｚ）に変換する機能を有している。家庭用コージェネレーションシステムでは通常、パワーコンディショナは、単相三線式電路を介して家庭内の負荷設備に単相交流電力を供給する。また、家庭用コージェネレーションシステムは、電力会社の電力系統からの受電と併用される。
【０００３】
本願出願人は、この種のコージェネレーションシステムの一例である燃料電池システムを特許文献１に開示している。この燃料電池システムは、系統電源と外部負荷とを電気的に接続する電源ラインに交流電力を供給するものであり、システムの異常発生時もしくはメンテナンス時に電源ラインとの回路を遮断するブレーカを備え、メンテナンス用操作部とブレーカを筺体の一面側に外側に向けて配置している。これにより、修理時に作業性を大幅に向上でき、また、メンテナンスを簡易に実施できるようになっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００９−２４５８５２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、特許文献１の燃料電池システムを一般家庭に導入する場合、電源ラインには単相三線式電路を用いることになる。ここで、パワーコンディショナの内部故障や単相三線式電路の短絡故障及び地絡故障などに対する監視機能として、パワーコンディショナは少なくとも瞬時電圧変化の検出機能を有している。しかしながら、単相三線式電路の漏電や中性線の欠相の監視はパワーコンディショナでは難しく、従来技術では回路を遮断するブレーカとして中性線欠相保護機能付き漏電ブレーカを用いていた。中性線欠相保護機能付き漏電ブレーカは、一般の漏電ブレーカよりも高価であり、コージェネレーションシステムの価格が高くなる問題点があった。
【０００６】
本発明は上記背景技術の問題点に鑑みてなされたものであり、従来用いていた中性線欠相保護機能付き漏電ブレーカを削除しても、中性線欠相時に交流補機及び貯湯槽で故障のおそれが発生しないコスト低廉なコージェネレーションシステムを提供することを解決すべき課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決する本発明のコージェネレーションシステムは、単相交流電力で動作する交流補機を含んで構成された発電装置と、前記発電装置から出力される電力を単相交流電力に変換して出力するパワーコンディショナと、２本の電力線及び１本の中性線で構成され、前記パワーコンディショナから出力される単相交流電力を負荷設備及び前記発電装置の交流補機に供給する単相三線式電路と、前記単相三線式電路のいずれかの電力線と前記中性線との間で電気的に接続され、前記発電装置の排熱により加熱された温水を貯留する貯湯槽と、を備えるコージェネレーションシステムであって、全ての前記交流補機及び前記貯湯槽を前記単相三線式電路の一方の電力線と前記中性線との間で電気的に片寄せして接続し、前記パワーコンディショナの出力電圧の瞬時電圧上昇検出機能または瞬時電圧低下検出機能により前記単相三線式電路の前記中性線が欠相したことを検出する。
【０００８】
さらに、前記単相三線式電路の途中の前記貯湯槽への分岐点と、前記貯湯槽との間に専用の中継端子台を設けることが好ましい。
【０００９】
また、前記発電装置は燃料電池であることが好ましい。
【発明の効果】
【００１０】
本発明のコージェネレーションシステムでは、発電装置の全ての交流補機及び貯湯槽を単相三線式電路の一方の電力線と前記中性線との間に片寄せして電気的に接続している。したがって、中性線が欠相したときに、交流補機及び貯湯槽は正常に機能しなくなるが過電圧は発生せず、故障のおそれは生じない。これに対し、従来技術では交流補機及び貯湯槽の接続方法を限定せず、両方の電力線と中性線との間に適宜分けて電気的に接続することを許容していた。すると、中性線が欠相したときに、交流補機及び貯湯槽が両方の電力線の間で直列接続され、インピーダンス比に応じた分担電圧の不均衡が生じ、過電圧による故障のおそれが生じる。このため、従来技術では、中性線欠相保護機能付き漏電ブレーカが必要とされていた。つまり、本発明によれば、従来必要とされていた中性線欠相保護機能付き漏電ブレーカを削除しても、中性線欠相時に交流補機及び貯湯槽で故障のおそれが生じなくなる。また、高価な中性線欠相保護機能付き漏電ブレーカを削除できるので、コージェネレーションシステムのコストが低廉になる。
【００１１】
さらに、単相三線式電路の途中の分岐点と貯湯槽との間に専用の中継端子台を設けた態様では、誤って貯湯槽を他方の電力線と中性線との間に接続することがなくなる。したがって、全ての交流補機及び貯湯槽を確実に片寄せして電気的に接続でき、確実に故障のおそれをなくすことができる。
【００１２】
また、発電装置が燃料電池である態様では、従来のパワーコンディショナを変更する必要が無く、交流補機及び貯湯槽の接続箇所は限定されるが接続作業自体は変わらない。したがって、中性線欠相保護機能付き漏電ブレーカを一般的な漏電ブレーカに置き換えるだけでよいので、コスト低廉化の効果が顕著になる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の第1実施形態のコージェネレーションシステムを示す全体構成図である。
【図２】図１中で発電装置に相当する燃料電池ユニットの詳細構成を示すユニット構成図である。
【図３】単相三線式電路における中性線欠相保護の必要性を説明する図であり、（１）は単純化した電路構成、（２）は正常時の等価回路、（３）は中性線欠相時の等価回路を示している。
【図４】従来技術のコージェネレーションシステムを示す全体構成図である。
【図５】第２実施形態のコージェネレーションシステムを示す全体構成図である。
【図６】図５中で発電装置に相当する単気筒ガスエンジンユニットの詳細構成を示すユニット構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本発明を実施するための第1実施形態を、図１及び図２を参考にして説明する。図１は、本発明の第1実施形態のコージェネレーションシステム１を示す全体構成図である。また、図２は、図１中で発電装置に相当する燃料電池ユニット２の詳細構成を示すユニット構成図である。コージェネレーションシステム１は家庭用であり、発電装置に相当する燃料電池ユニット２、パワーユニット３（図１中の破線で囲まれた範囲）、及び貯湯槽ユニット４で構成されている。３つのユニット２、３、４は別体で製造され、家庭内の設置場所に搬入据え付けされた後に配線接続及び配管接続が行われ、システム１として完成する。
【００１５】
パワーユニット３は、図１に示されるように、パワーコンディショナ３Ａ、単相三線式電路３Ｃ、出力スイッチ３Ｄ、ノイズフィルタ３Ｅ、システム漏電ブレーカ３Ｆ、主端子台３Ｇ、中継端子台３Ｈにより構成されている。これらの構成部位は、一つの閉鎖盤内に収納配置され、相互に電気的に接続されている。
【００１６】
パワーコンディショナ３Ａは、出力ケーブル３Ｂで燃料電池ユニット２に電気的に接続されており、直流電圧Ｖｄｃの直流電力が入力される。パワーコンディショナ３Ａは、図略の直交変換用インバータを有し、直流電力を商用周波数の交流電圧Ｖａｃの単相交流電力に変換して単相三線式電路３Ｃに出力する。交流電圧Ｖａｃは、一般的な２００Ｖとすることができ、これに限定されない。なお、パワーコンディショナ３Ａは、自身３Ａ及び燃料電池ユニット２内で使用する直流電力を発生するために、図略の直流変換用インバータを有していてもよい。
【００１７】
さらに、パワーコンディショナ３Ａは、出力する交流電圧Ｖａｃの瞬時電圧上昇検出機能及び瞬時電圧低下検出機能を有している。これらの検出機能は、適宜従来技術を用いて実現することができる。瞬時電圧上昇または瞬時電圧低下が発生したとき、図略の制御部は出力スイッチ３Ｄを遮断制御して、単相三線式電路３Ｃを開路する。パワーコンディショナ３Ａは、その他の監視機能及び保護機能を適宜有していてもよい。
【００１８】
単相三線式電路３Ｃは、図中に太線で示されており、Ｕ相電力線３Ｕ及びＶ相電力線３Ｖと中性線３Ｎとで構成されている。Ｕ相電力線３ＵとＶ相電力線３Ｖとの間にはパワーコンディショナ３Ａから交流電圧Ｖａｃ（＝２００Ｖ）が供給され、Ｕ相電力線３Ｕと中性線３Ｎとの間には交流電圧Ｖｕーｎ＝１００Ｖが発生し、Ｖ相電力線３Ｖと中性線３Ｎとの間にも交流電圧Ｖｖ−ｎ＝１００Ｖが発生する。単相三線式電路３Ｃには、パワーコンディショナ３Ａ側から順番に、出力スイッチ３Ｄ、交流補機である後述の着火部３５への分岐点３Ｉ、交流補機である後述の電気ヒータ４１への分岐点３Ｊ、ノイズフィルタ３Ｅ、システム漏電ブレーカ３Ｆ、貯湯槽ユニット４への分岐点３Ｋ、及び主端子台３Ｇが直列に配置されている。
【００１９】
出力スイッチ３Ｄは、パワーコンディショナ３Ａの交流電圧Ｖａｃの出力及び遮断を切り替え操作する部位である。着火部３５への分岐点３Ｉ、電気ヒータ４１への分岐点３Ｊ、ならびに貯湯槽ユニット４への分岐点３Ｋは、全てＵ相電力線３Ｕ及び中性線３Ｎから分岐している。つまり、着火部３５、電気ヒータ４１、ならびに貯湯槽ユニット４は、Ｕ相電力線３Ｕ側に片寄せして電気的に接続されている。ノイズフィルタ３Ｅは、主に高周波成分を有するノイズを除去する部位である。ノイズフィルタ３Ｅは、パワーコンディショナ３Ａへの外来ノイズの侵入を防止するとともに、パワーコンディショナ３Ａで発生するスイッチングノイズの外部への漏出を防止する。システム漏電ブレーカ３Ｆは、下流側（パワーコンディショナ３Ａの逆側）で漏電が発生したときに、単相三線式電路３Ｃを開路する部位であり、中性線３Ｎ欠相保護機能を有していない。主端子台３Ｇは、交流電圧Ｖａｃを外部に受け渡して給電する部位であり、例えば、三芯ケーブル３Ｌが接続されて外部に引き出される。
【００２０】
パワーユニット３の外部に引き出された単相三線式電路３Ｃは、三芯ケーブル３Ｌ及び分岐ブレーカ９１を介して、家庭内のＵ相側負荷設備群９２に交流電圧Ｖｕーｎ（＝１００Ｖ）を印加して給電し、Ｖ相側負荷設備群９３に交流電圧Ｖｖーｎ（＝１００Ｖ）を印加して給電する。家庭内に図略の単相２００Ｖ負荷設備が有る場合、単相三線式電路３Ｃは、当然ながら交流電圧Ｖａｃ（＝２００Ｖ）を印加して給電する。Ｕ相側負荷設備群９２、Ｖ相側負荷設備群９３、および単相２００Ｖ負荷設備群は、それぞれ複数の負荷であり、負荷状態（負荷率）は時間的に変化する。単相三線式電路３Ｃは主幹ブレーカ９４を介して電力会社の電力系統９５に連系されており、コージェネレーションシステム１と電力系統９５とは併用される。分岐ブレーカ９１は中性線３Ｎ欠相保護機能を有さず、主幹ブレーカ９４は中性線３Ｎ欠相保護機能を有している。
【００２１】
また、パワーユニット３内の分岐点３Ｋで分岐した電路には、専用の中継端子台３Ｈが設けられている。中継端子台３Ｈには、貯湯槽ユニット４を電気的に接続するＵ相端子３ＨＵ及び中性線端子３ＨＮが設けられている。中継端子台３Ｈと貯湯槽ユニット４との間は、例えば、二芯ケーブル３Ｍによって接続されている。
【００２２】
貯湯槽ユニット４は、単相三線式電路３ＣのＵ相電力線３Ｕと中性線３Ｎとの間で電気的に接続されており、燃料電池ユニット２の排熱により加熱された温水を貯留する部位である。図には省略されているが、貯湯槽ユニット４は、温水の流れを操作する電磁バルブ、温水の温度や水量を計測するセンサ、及び電磁バルブやセンサを制御する制御基板などの電装品を有している。これらの電装品の電源として、単相三線式電路３Ｃの交流電圧Ｖｕーｎ（＝１００Ｖ）が供給される。また、貯湯槽ユニット４と燃料電池ユニット２との間で温水を循環させるために、往路７８ａ及び復路７８ｃからなる貯湯通路７８が設けられている。
燃料電池ユニット２は、図２に示されるように、発電を行う燃料電池本体１２、原料水４５を蒸発させて水蒸気を生成する蒸発部２０、水蒸気を用い燃料を改質してアノードガスを生成する改質部３０、蒸発部２０及び改質部３０を加熱する燃焼部３２、原料水４５を貯留する水タンク４０、これらを収容するケース５０、燃料ガスを供給するガス源６３などにより構成されている。
【００２３】
燃料電池本体１２は、イオン伝導体を挟むアノード１０とカソード１１とをもち、例えば、固体酸化物形燃料電池（運転温度：例えば４００℃以上）を適用できる。アノード１０には、アノードガス通路７３を介して改質部３０からアノードガスが供給される。カソード１１には、カソードガス（空気）を供給するためのカソードガス通路７０がつながれ、カソードガス通路７０の入口にカソードポンプ７１が設けられている。アノード１０及びカソード１１は、出力ケーブル３Ｂによりパワーユニット３のパワーコンディショナ３Ａの入力側に電気的に接続されている。アノード１０側から排出されるアノード排ガスは、アノード排ガス流路１０３を介して燃焼部３２に供給される。カソード１１側から排出されるカソード排ガスは、カソード排ガス流路１０４を介して燃焼部３２に供給される。
【００２４】
燃焼部３２はアノード排ガスとカソード排ガスとを燃焼させて、蒸発部２０及び改質部３０を同時に加熱する。燃焼部３２における燃焼後の排ガスは、排ガス通路７５を介して大気中に放出される。改質部３０は、セラミックス等の担体に改質触媒を担持させて形成されており、連通路を介して蒸発部２０に隣設されている。改質部３０及び蒸発部２０は改質器を構成しており、燃料電池本体１２と共に断熱壁１９で包囲されている。改質部３０の内部には温度を検知する温度センサ３３が設けられ、温度センサ３３の信号は制御部１００に入力されている。燃焼部３２の内部には燃料に着火する着火部３５が設けられている。着火部３５は、単相交流電力で動作する交流補機であり、図１に示されるように、単相三線式電路３Ｃの分岐点３Ｉで電気的に接続されている。
【００２５】
燃料ガス通路６は、ガス源６３から燃料ガスを蒸発部２０に供給するものであり、途中に燃料ポンプ６０及び脱硫器６２が設けられている。脱硫器６２は、ゼオライト系の多孔質物質を基材とする常温用脱硫剤を収容して構成され、実際には断熱壁１９に接触して配置されている。脱硫器６２は、発電運転時に断熱壁１９から受熱して５０℃以上２００℃以下の高温領域に加熱される。
【００２６】
図２に示されるように、ケース５０は外気に連通する吸気口５５及び排気口５６をもち、その内部は上室空間５２と下室空間５３とに仕切られている。上室空間５２には、燃料電池本体１２、改質部３０、蒸発部２０、及び燃焼部３２が収容されている。下室空間５３には、改質部３で改質される原料水４５を貯留する水タンク４０が収容されている。水タンク４０の底面には、貯留されている原料水４５を加熱する電気ヒータ４１が設けられている。電気ヒータ４１は、単相交流電力で動作する交流補機であり、図１に示されるように、単相三線式電路３Ｃの分岐点３Ｊで電気的にされている。外気温度等の環境温度が低いとき、制御部１００からの指令に基づいて、原料水４５は電気ヒータ４１により所定温度（例えば５℃、１０℃、２０℃）以上に加熱されて凍結が防止される。
【００２７】
図示されるように、下室空間５３側の水タンク４０と、上室空間５２側の蒸発部２０とを連通させる給水通路８がケース５０内に設けられている。ケース５０内で、水タンク４０は蒸発部２０の下側に配置されており、給水通路８は基本的には縦方向に沿って延在する。給水通路８の途中には、水タンク４０内の原料水４５を蒸発部２０まで搬送する給水ポンプ８０が設けられている。
【００２８】
排ガス通路７５の途中には、凝縮機能をもつ熱交換器７６が設けられている。また、熱交換器７６から貯湯槽４につながる貯湯通路７８が設けられている。貯湯通路７８は往路７８ａ及び復路７８ｃからなり、往路７８ａの途中に貯湯ポンプ７９が設けられている。貯湯ポンプ７９の駆動により、貯湯槽４の低温の水は、吐出されて往路７８ａを通過して熱交換器７６に至り、熱交換器７６の熱交換作用により加熱される。加熱された温水は、復路７８ｃを介して貯湯槽７７に循環する。このようにして貯湯槽４の低温の水に熱エネルギが蓄積されて温水となる。一方、排ガス通路７５内の排ガスに含まれていた水蒸気は、熱交換器７６で凝縮されて凝縮水となる。凝縮水は、熱交換器７６から延設された凝縮水通路４２を介して水精製器４３に供給される。水精製器４３は、内部にイオン交換樹脂等を有しており、凝縮水の不純物を除去して原料水４５をつくる。原料水４５は、水タンク４０に移送されて貯留される。  制御部１００は、温度センサ３３からの信号で改質部３０の内部温度を認識し、給水ポンプ８０、燃料ポンプ６０、カソードポンプ７１、及び貯湯ポンプ７９を制御することで、燃料電池ユニット２の発電運転及びこれに伴う熱利用を制御する。給水ポンプ８０が駆動されると、原料水４５が水タンク４０から給水通路８を介して蒸発部２０に供給され、蒸発部２０で水蒸気とされる。また、燃料ポンプ６０が駆動されると、燃料ガスがガス源６３から燃料ガス通路６を介して蒸発部２０に供給される。水蒸気及び燃料ガスは揃って蒸発部２０から改質部３０に移動し、改質部３０で改質されてアノードガスとなり、燃料電池本体１２のアノード１０に供給される。一方、カソードポンプ７１が駆動されると、カソードガス（空気）がカソードガス通路７０を介して燃料電池本体１２のカソード１１に供給される。これにより燃料電池本体１２で化学反応が生じて直流電圧Ｖｄｃが発生し、出力ケーブル３Ｂを介してパワーコンディショナ３Ａへ出力される。また、熱交換器７６で取り出された熱エネルギが、温水として貯湯槽４に貯留され、家庭内の熱負荷に供給される。
【００２９】
なお、本発明において、燃料電池ユニット２のアノードガス及びカソードガスの種類や、用いる化学反応などの方式の制約は特に無く、公知の各種方式を適用できる。
【００３０】
次に、単相三線式電路３Ｃにおける中性線３Ｎ欠相保護の必要性について説明する。図３は、単相三線式電路３Ｃにおける中性線３Ｎ欠相保護の必要性を説明する図であり、（１）は単純化した電路構成、（２）は正常時の等価回路、（３）は中性線３Ｎ欠相時の等価回路を示している。今、説明を簡易にするために、コージェネレーションシステム１が導入されていない家庭を想定する。すると、図３の（１）に示されるように、電力系統９５から主幹ブレーカ９４を介し、単相三線式電路３ＣでＵ相側負荷設備群９２及びＶ相側負荷設備群９３に給電する電路構成になる。
【００３１】
ここで、電力系統９５の交流電圧２Ｅ、Ｕ相側負荷設備群９２のインピーダンスＺｕ、分担電圧Ｅｕ、Ｖ相側負荷設備群９３のインピーダンスＺｖ、分担電圧Ｅｕとする。すると、図３の（２）に示される正常時には中性線３Ｎがつながった電路構成であるため、Ｕ相側負荷設備群９２及びＶ相側負荷設備群９３は、それぞれ交流電圧２Ｅの半分を分担し、分担電圧Ｅｕ＝分担電圧Ｅｖ＝Ｅとなる。
【００３２】
ところが、何らかの原因で中性線３Ｎの途中が断線したり、端子台で端子が外れたりして欠相すると、図３の（３）に示されるように、中性線３Ｎがつながっていない電路構成になる。このとき、Ｕ相側負荷設備群９２及びＶ相側負荷設備群９３は電力系統９５に対して直列接続され、各分担電圧Ｅｕ、Ｅｖはインピーダンス比に分割される。つまり、分担電圧Ｅｕ＝２Ｅ×Ｚｕ÷（Ｚｕ＋Ｚｖ）、分担電圧Ｅｖ＝２Ｅ×Ｚｖ÷（Ｚｕ＋Ｚｖ）で求められる。例えば、２Ｅ＝２００Ｖで、Ｚｕ＝２００Ω、Ｚｖ＝５０Ωの場合には、分担電圧Ｅｕ＝１６０Ｖ、分担電圧Ｅｖ＝４０Ｖと不均衡になる。したがって、Ｕ相側負荷設備群９２が過電圧状態となり、故障するおそれが生じる。なお、分担電圧Ｅｕ、Ｅｖの不均衡の程度は、Ｕ相側及びＶ相側負荷設備群９２、９３の負荷状態（負荷率）に依存して変化する。
【００３３】
このような中性線３Ｎ欠相状態を検出して単相三線式電路３Ｃを開路するために、中性線欠相保護機能を有する主幹ブレーカ９４が用いられる。単相三線式電路３Ｃの電源としてコージェネレーションシステム１のパワーユニット２が加わり、負荷設備として着火部３５、電気ヒータ４１、及び貯湯槽ユニット４が加わっても、図３の(３)に示される分担電圧Ｅｕ、Ｅｖの不均衡は生じ得る。したがって、中性線３Ｎ欠相保護が必要である点に変わりは無い。
【００３４】
次に、第１実施形態のコージェネレーションシステム１の作用について説明する。まず、システム１の停止中及び非発電時には、出力スイッチ３Ｄは開路され、Ｕ相側負荷設備群９２及びＶ相側負荷設備群９３は電力系統９５から給電される。さらに、着火部３５、電気ヒータ４１、及び貯湯槽ユニット４も電力系統９５から給電される。したがって、貯湯槽ユニット４は、システム１の発電実施状況に関わりなく温水を給湯できる。この状態で、中性線３Ｎ欠相故障が発生すると、主幹ブレーカ９４では中性線３Ｎに流れていた電流がなくなる。したがって、主幹ブレーカ９４は、故障箇所に関わりなく故障を検出してトリップし、単相三線式電路３Ｃを開路する。これにより、Ｕ相側負荷設備群９２及びＶ相側負荷設備群９３は停電となる。また、パワーコンディショナ３Ａは、電力系統９５から電圧が給電されていないことで故障状態を検知し、発電を開始しない。
【００３５】
次に、システム１の発電動作時には、出力スイッチ３Ｄは閉路される。パワーコンディショナ３Ａは、着火部３５、電気ヒータ４１、及び貯湯槽ユニット４に給電し、さらに、Ｕ相側負荷設備群９２及びＶ相側負荷設備群９３にも給電する。そして、Ｕ相側負荷設備群９２及びＶ相側負荷設備群９３で不足する分の交流電力が、併用の電力系統９５から給電される。この状態で、中性線３Ｎ欠相故障が発生すると、以降に説明するように、故障発生点に依存して故障の検出及び保護の方法が変化する。
【００３６】
中性線３Ｎ欠相故障が電力系統９５内、あるいは、主幹ブレーカ９４とＵ相側及びＶ相側負荷設備群９２、９３との間で発生した場合、主幹ブレーカ９４では中性線３Ｎに流れていた電流がなくなる。したがって、主幹ブレーカ９４は、故障を検出してトリップし、単相三線式電路３Ｃを開路する。一方、パワーコンディショナ３Ａでは、中性線３Ｎに流れていた電流が著変せず、交流電圧Ｖａｃが著変しないので故障を検出せず、コージェネレーションシステム１は自立運転を継続する。これにより、パワーコンディショナ３ＡはＵ相側及びＶ相側負荷設備群９２、９３に交流電力を供給し、負荷設備群９２、９３の負荷率が高い場合には交流電力が不足して停電するおそれが生じる。
【００３７】
次に、中性線３Ｎ欠相故障がＵ相側及びＶ相側負荷設備群９２、９３と貯湯槽ユニット４への分岐点３Ｋとの間で発生した場合、電力系統９５から中性線３Ｎの健全部分を経由して電流が流れ続ける。したがって、主幹ブレーカ９４はトリップせず、Ｕ相側及びＶ相側負荷設備群９２、９３のへの給電が継続される。一方、パワーコンディショナ３Ａでは、中性線３Ｎ欠相故障による電流変化によって引き起こされる交流電圧Ｖａｃの瞬時変化を瞬時電圧変化検出機能（瞬時電圧上昇検出機能の場合が多い）で検出する。コージェネレーションシステム１は、自立運転を継続しながら電力系統９５との連系にリトライする。しかしながら、中性線３Ｎがつながっていないので故障判定して連系できず、所定回数のリトライを実施した後に停止する。
【００３８】
このとき、パワーコンディショナ３Ａは、出力スイッチ３Ｄを開路する。したがって、着火部３５、電気ヒータ４１、及び貯湯槽ユニット４は、Ｕ相電力線３Ｕで電力系統９５につながり中性線３Ｎ側が電気的に浮いた状態になり、正常に機能しない。このため、貯湯槽ユニット４から温水を給湯できなくなる。ただし、Ｕ相電力線３Ｕ側に片寄せして電気的に接続しているので、図３の（３）で説明した分担電圧Ｅｕ、Ｅｖの不均衡による故障のおそれは生じない。
【００３９】
三番目に、中性線３Ｎ欠相故障が貯湯槽ユニット４への分岐点３Ｋとパワーコンディショナ３Ａとの間で発生した場合、電力系統９５から中性線３Ｎの健全部分を経由してＵ相側及びＶ相側負荷設備群９２、９３ならびに貯湯槽ユニット４に給電が継続される。したがって、主幹ブレーカ９４はトリップせず、Ｕ相側及びＶ相側負荷設備群９２、９３の運転が継続され、さらに貯湯槽ユニット４の運転も継続されて温水を給湯できる。一方、パワーコンディショナ３Ａでは、中性線３Ｎ欠相故障による電流変化によって引き起こされる交流電圧Ｖａｃの瞬時変化を瞬時電圧変化検出機能で検出する。コージェネレーションシステム１は、自立運転を継続しながら電力系統９５との連系にリトライする。しかしながら、中性線３Ｎがつながっていないので故障判定して連系できず、所定回数のリトライを実施した後に停止する。
【００４０】
このとき、パワーコンディショナ３Ａは、出力スイッチ３Ｄを開路する。したがって、故障個所に応じて、交流補機３５、４１の少なくとも一部がＵ相電力線３Ｕで電力系統９５につながり中性線３Ｎ側が電気的に浮いた状態になって、正常に機能しなくなるおそれがある。ただし、Ｕ相電力線３Ｕ側に片寄せして電気的に接続しているので、図３の（３）で説明した分担電圧Ｅｕ、Ｅｖの不均衡による故障のおそれは生じない。
【００４１】
次に、第１実施形態のコージェネレーションシステム１の効果について、従来技術と比較しながら説明する。図４は、従来技術のコージェネレーションシステム１Ｘを示す全体構成図である。従来技術のコージェネレーションシステム１Ｘは、着火部３５及び電気ヒータ４１への分岐点３Ｉ、３Ｊの設定、及び貯湯槽ユニット４Ｘの接続方法が実施形態と異なっている。詳述すると、従来技術のパワーユニット３Ｘで、着火部３５への分岐点３ＩはＵ相電力線３Ｕ及び中性線３Ｎから分岐し、電気ヒータ４１への分岐点３Ｊは、Ｖ相電力線３Ｕ及び中性線３Ｎから分岐している。また、パワーユニット３内に貯湯槽ユニット４への分岐点３Ｋは設けられておらず、専用の中継端子台３Ｈも設けられていない。図示されるように、貯湯槽ユニット４は、分岐ブレーカ９１のＵ相端子９１Ｕと中性線端子９１Ｎとの間、あるいは、Ｖ相端子９１Ｖと中性線端子９１Ｎとの間で電気的に接続（図中に破線示）されていた。つまり、Ｕ相側及びＶ相側のどちらに接続しても正常に動作するので、貯湯槽ユニット４を接続する端子は、従来技術では固定されていなかった。
【００４２】
図４に示される従来技術の構成で、仮に、システム漏電ブレーカ３ＦＸに中性線欠相保護機能を有さない一般的な漏電ブレーカを用いると、次のような弊害が生じる。例えば、中性線３Ｎ欠相故障がＵ相側及びＶ相側負荷設備群９２、９３と分岐ブレーカ９１との間で発生した場合、電力系統９５から中性線３Ｎの健全部分を経由して電流が流れ続ける。したがって、主幹ブレーカ９４はトリップせず、Ｕ相側及びＶ相側負荷設備群９２、９３のへの給電が継続される。一方、パワーコンディショナ３Ａでは、中性線３Ｎ欠相故障による電流変化によって引き起こされる交流電圧Ｖａｃの瞬時変化を瞬時電圧変化検出機能で検出する。コージェネレーションシステム１は、自立運転を継続しながら電力系統９５との連系にリトライする。しかしながら、中性線３Ｎがつながっていないので故障判定して連系できず、所定回数のリトライを実施した後に停止する。
【００４３】
このとき、パワーコンディショナ３Ａは出力スイッチ３Ｄを開路する。すると、着火部３５、電気ヒータ４１、及び貯湯槽ユニット４の中性線３Ｎが電気的に浮いた状態になる。そして、交流補機３５と貯湯槽ユニット４とが並列接続され、さらに交流補機４１が直列接続される等価回路となり、図３の（３）に示される分担電圧Ｅｕ、Ｅｖの不均衡状態に陥る。つまり、これらの機器３５、４１、４が過電圧で故障するおそれが生じる。このおそれを解消するため、従来技術では、システム漏電ブレーカ３ＦＸに中性線欠相保護機能が必要とされていた。
【００４４】
第１実施形態のコージェネレーションシステム１によれば、燃料電池ユニット２の着火部３５、電気ヒータ４１、及び貯湯槽ユニット４を単相三線式電路３ＣのＵ相電力線３Ｕと中性線３Ｎとの間に片寄せして電気的に接続している。したがって、中性線３Ｎが欠相したときに、これらの機器３５、４１、４は正常に機能しなくなるが過電圧は発生せず、故障のおそれは生じない。また、高価な中性線欠相保護機能付き漏電ブレーカを削除したので、コージェネレーションシステム１のコストが低廉になる。
【００４５】
さらに、単相三線式電路３Ｃの途中の分岐点３Ｋと貯湯槽ユニット４との間に専用の中継端子台３Ｈを設けている。中継端子台３Ｈは、Ｕ相端子３ＨＵ及び中性線端子３ＨＮを有し、Ｖ相電力線３Ｖにつながる端子を有さないので、設置場所で誤って貯湯槽ユニット４をＶ相電力線３Ｖに接続することがなくなる。これにより、着火部３５、電気ヒータ４１、及び貯湯槽ユニット４を確実に片寄せして電気的に接続でき、確実に故障のおそれをなくすことができる。
【００４６】
また、従来のパワーコンディショナ３Ａを変更する必要が無く、着火部３５、電気ヒータ４１、及び貯湯槽ユニット４の電気的な接続箇所は限定されるが接続作業自体は変わらない。したがって、従来技術の中性線欠相保護機能付きのシステム漏電ブレーカ３ＦＸを一般的なシステム漏電ブレーカ３Ｆに置き換えるだけでよいので、コスト低廉化の効果が顕著になる。
【００４７】
次に、第２実施形態のコージェネレーションシステム１Ａについて、図５及び図６を参考にして説明する。図５は、本発明の第２実施形態のコージェネレーションシステム１Ａを示す全体構成図である。また、図６は、図５中で発電装置に相当する単気筒ガスエンジンユニット５の詳細構成を示すユニット構成図である。第２実施形態のコージェネレーションシステム１Ａは、第１実施形態の燃料電池ユニット２に代えて単気筒ガスエンジンユニット５を用いており、その他の部分の構成は第１実施形態に概ね一致している。
【００４８】
図６に示される単気筒ガスエンジンユニット５は、発電機１１０により交流電力を生成し、エンジン本体２００を冷却する冷却水から貯湯熱交換器７１０で熱エネルギを取り出すようになっている。単気筒ガスエンジンユニット５は、エンジン本体２００、燃料ガス供給部３００、空気供給部４００、混合気供給部５００、排気部６００、冷却水循環部７００などで構成されている。
【００４９】
エンジン本体２００は、単気筒のシリンダ２１０及びピストン２２０と、ピストン２２０の往復運動を回転運動に変換して出力するクランク軸２３０とを備えている。シリンダ２１０の上部には吸気ポート２４０及び排気ポート２５０と点火プラグ２６０が設けられ、シリンダ２１０を取り巻くようにウォータジャケット２７０が形成されている。クランク軸２３０は発電機１１０に連結されており、発電機１１０は電磁誘導作用により交流電力を発生する。発電機１１０の出力端子は、出力ケーブル３Ｂによりパワーユニット３Ｙのパワーコンディショナ３ＡＹに電気的に接続されている。パワーコンディショナ３ＡＹは、発電機１１０から出力される高い周波数の交流電力を商用周波数に変換して単相三線式電路３Ｃに出力する図略の交流変換用インバータを有している。
【００５０】
燃料ガス供給部３００は、図略のガス供給源から燃料ガスをミキサー５１０に供給する燃料ガス通路に相当する部位である。燃料ガス供給部３００には、ガス供給源側から順番に２個の電磁弁３１０、３２０、ガバナ３３０、及び燃料弁３４０が設けられている。２個の電磁弁３１０、３２０は、単相交流電力で動作する交流補機であり、図５に示されるように、単相三線式電路３Ｃの分岐点３Ｉで電気的に接続されている。空気供給部４００は、空気をミキサー５１０に供給する空気通路に相当する部位である。空気供給部４００の途中にはエアクリーナ４１０が設けられている。混合気供給部５００は、混合気をエンジン本体２００の吸気ポート２４０に供給する部位である。混合気供給部５００には、燃料ガスと空気とを混合して混合気を作成するミキサー５１０、及び混合気の供給量を調節するスロットル弁５２０が設けられている。燃料弁３４０及びスロットル弁５２０は、直流電力で駆動されるようになっている。
【００５１】
排気部６００は、エンジン本体２００の排気ポート２５０から外部へ排気ガスを放出する排気ガス通路に相当する部位である。排気部６００には、排気ポート２５０側から順番に排気熱交換器６１０及び排気サイレンサー６２０が設けられている。冷却水循環部７００は、冷却水を循環してエンジン本体２００を冷却する冷却水通路に相当する部位である。冷却水は、エンジン本体２００のウォータジャケット２７０から排気熱交換器６１０、貯湯熱交換器７１０を経てウォータジャケット２７０に循環するようになっている。これにより、冷却水は、エンジン本体２００から熱エネルギを受け取るとともに、排気熱交換器６１０で排気ガスからも熱エネルギを受け取り、貯湯熱交換器７１０で熱エネルギを放出する。
【００５２】
貯湯熱交換器７１０と貯湯槽ユニット４との間は、往路７８ａ及び復路７８ｃからなる貯湯通路７８で配管接続されており、温水が循環して熱エネルギを利用できるようになっている。貯湯通路７８の往路７８ａには、凍結防止用ヒータ７２０が設けられている。凍結防止用ヒータ７２０は、単相交流電力で動作する交流補機であり、図５に示されるように、単相三線式電路３Ｃの分岐点３Ｊで電気的に接続されている。
【００５３】
第２実施形態において、単気筒ガスエンジンユニット５には公知の構成を適用できるので詳細な動作の説明は省略する。また、単相三線式電路３Ｃの中性線３Ｎ欠相時の作用及び効果は、第１実施形態と同様であるので省略する。
【００５４】
なお、第１及び第２実施形態で例示した以外に交流補機があってもよく、その場合には全ての交流補機をＵ相電力線３Ｕと中性線３Ｎとの間に片寄せして電気的に接続する。また、本発明は、燃料電池やガスエンジン以外の発電装置、例えば、交流補機を含んで構成されるバイオマス発電ユニットを備えたシステムにも応用できる。本発明は、その他、様々な応用や変形が可能である。
【符号の説明】
【００５５】
１、１Ａ：コージェネレーションシステム
１Ｘ：従来技術のコージェネレーションシステム
２：燃料電池ユニット（発電装置）
１０：アノード    １１：カソード    １２：燃料電池本体
２０：蒸発部    ３０：改質部    ３２：燃焼部
３５：着火部（交流補機）    ４１：電気ヒータ（交流補機）
４０：水タンク    ４３：水精製器
５０：ケース    ６：燃料ガス通路    ６３：ガス源
７６：熱交換器    ７８：貯湯通路    ８：給水通路
３：パワーユニット
３Ａ：パワーコンディショナ  ３Ｂ：出力ケーブル  ３Ｃ：単相三線式電路
３Ｄ：出力スイッチ    ３Ｅ：ノイズフィルタ  ３Ｆシステム漏電ブレーカ
３Ｇ：主端子台    ３Ｈ：中継端子台
３Ｕ：Ｕ相電力線    ３Ｖ：Ｖ相電力線    ３Ｎ：中性線
４：貯湯槽ユニット
５：単気筒ガスエンジンユニット（発電装置）
１１０：発電機    ２００：エンジン本体    ３００：燃料ガス供給部
３１０、３２０：電磁弁（交流補機）
４００：空気供給部    ５００：混合気供給部    ６００：排気部
７００：冷却水循環部    ７１０：貯湯熱交換器
７２０：凍結防止用ヒータ（交流補機）
９１：分岐ブレーカ    ９２：Ｕ相側負荷設備群    ９３：Ｖ相側負荷設備群９３
９４：主幹ブレーカ    ９５：電力系統
Ｖｄｃ：直流電圧    Ｖａｃ：交流電圧
２Ｅ：電力系統の交流電圧
Ｚｕ、Ｚｖ：Ｕ相側及びＶ相側負荷設備群のインピーダンス
Ｅｕ、Ｅｖ：Ｕ相側及びＶ相側負荷設備群の分担電圧
【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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