(57)【要約】【課題】燃料電池スタックの劣化を抑制するとともに、燃料電池スタックの劣化に備えてシステム全体が大型化することを抑制可能な発電ユニットを提供する。【解決手段】本発明の発電ユニット１は、第二電力変換器５と、制御装置６と、発電状態検出器７とを備えている。第二電力変換器５は、降圧型ＤＣ／ＤＣコンバータ５１から出力される直流電力である第二直流電力、および、降圧型ＡＣ／ＤＣコンバータ５２から出力される直流電力である第三直流電力のうちの少なくとも一方を出力可能である。制御装置６は、発電状態検出器７の検出結果に基づいて燃料電池スタック２１ｃの発電状態が発電能力を超えていると判断したときに、降圧型ＤＣ／ＤＣコンバータ５１から第二直流電力を出力させることを中止して降圧型ＡＣ／ＤＣコンバータ５２から第三直流電力を出力させる駆動用電源の切り替えを行う。【選択図】  図７
2016072080.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料と酸化剤ガスとによって発電する燃料電池スタックを備える燃料電池発電装置と、
前記燃料電池スタックと交流の系統電源との間に設けられ、前記燃料電池スタックから出力された直流電力である第一直流電力を昇圧する昇圧型ＤＣ／ＤＣコンバータと、前記昇圧型ＤＣ／ＤＣコンバータによって昇圧された直流電力を交流電力に変換して前記系統電源に接続された負荷に出力するインバータとを備える第一電力変換器と、
前記第一直流電力を降圧する降圧型ＤＣ／ＤＣコンバータと、前記系統電源の交流電力を直流電力に変換して降圧する降圧型ＡＣ／ＤＣコンバータとを備え、前記降圧型ＤＣ／ＤＣコンバータから出力される直流電力である第二直流電力、および、前記降圧型ＡＣ／ＤＣコンバータから出力される直流電力である第三直流電力のうちの少なくとも一方を出力可能な第二電力変換器と、
前記第二直流電力および前記第三直流電力のうちの少なくとも一方が駆動用電源として供給され、少なくとも前記第一電力変換器および前記第二電力変換器を駆動制御する制御装置と、
前記燃料電池スタックの発電状態を検出する発電状態検出器と、
を備える発電ユニットであって、
前記制御装置は、前記発電状態検出器の検出結果に基づいて前記燃料電池スタックの前記発電状態が発電能力を超えていると判断したときに、前記降圧型ＤＣ／ＤＣコンバータから前記第二直流電力を出力させることを中止して前記降圧型ＡＣ／ＤＣコンバータから前記第三直流電力を出力させる前記駆動用電源の切り替えを行う発電ユニット。
【請求項２】
前記発電状態検出器は、前記燃料電池スタックの前記発電状態である前記燃料電池スタックの出力電圧および出力電流のうちの少なくとも一方を検出し、
前記制御装置は、前記燃料電池スタックの前記出力電圧が基準電圧より低いとき、および、前記燃料電池スタックの前記出力電流が基準電流より大きいときのうちの少なくとも一方の条件を充足するときに、前記燃料電池スタックの前記発電状態が前記発電能力を超えていると判断する請求項１に記載の発電ユニット。
【請求項３】
前記制御装置は、前記燃料電池スタックの前記発電状態が前記発電能力を超えていることを一定時間継続して判断したときに、前記駆動用電源の前記切り替えを行う請求項１または２に記載の発電ユニット。
【請求項４】
前記系統電源の出力状態を検出する系統電源出力検出器をさらに備え、
前記制御装置は、前記系統電源出力検出器の検出結果に基づいて前記系統電源の前記交流電力が異常でないと判断したときに、前記駆動用電源の前記切り替えを可能にする請求項１〜３のいずれか一項に記載の発電ユニット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池スタックの劣化を抑制可能な発電ユニットに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池スタックの劣化の抑制を図る発明の一例として、特許文献１および特許文献２に記載の発明が挙げられる。特許文献１に記載の燃料電池システムは、セルスタックの出力電流と、燃料ガスの供給量と、酸化剤ガスの供給量とを一定の比率で変化させる。そして、燃料電池システムの制御手段は、これらを変化させたときの電圧検出手段による検出結果に基づいて、セルスタックの特定部位の劣化状態を判定しようとしている。
【０００３】
特許文献２に記載の燃料電池システムは、複数のスタックを備えており、複数のスタックには、ＤＣ／ＤＣコンバータがそれぞれ設けられている。そして、燃料電池システムの制御装置は、劣化が進行しているスタックからの掃引電流が、他のスタックからの掃引電流と比べて少なくなるように、劣化が進行しているスタックに設けられるＤＣ／ＤＣコンバータを制御しようとしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１０−２７５８０号公報
【特許文献２】特開２０１４−２６８６２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１に記載の燃料電池システムは、セルスタックの特定部位の劣化の程度が大きい程、セルスタックの出力電流の上限値を低下させて発電を継続する。そのため、特許文献１に記載の燃料電池システムは、セルスタックに劣化が生じた場合に、燃料電池システムの出力が低下する可能性がある。また、セルスタックの劣化時に同等の出力を確保しようとすると、特許文献１に記載の燃料電池システムは、セルスタックの体格を大型化する必要があり、システム全体が大型化する可能性がある。
【０００６】
一方、特許文献２に記載の燃料電池システムは、複数のスタックおよび複数のＤＣ／ＤＣコンバータを備えており、燃料電池システム全体が大型化する。特に、燃料電池スタックの発電によって生じた排熱を利用するコジェネレーションシステムでは、燃料電池スタックの小型化とともに、ＤＣ／ＤＣコンバータを含むシステム全体の小型化が望まれている。
【０００７】
本発明は、このような事情に鑑みて為されたものであり、燃料電池スタックの劣化を抑制するとともに、燃料電池スタックの劣化に備えてシステム全体が大型化することを抑制可能な発電ユニットを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明に係る発電ユニットは、燃料と酸化剤ガスとによって発電する燃料電池スタックを備える燃料電池発電装置と、前記燃料電池スタックと交流の系統電源との間に設けられ、前記燃料電池スタックから出力された直流電力である第一直流電力を昇圧する昇圧型ＤＣ／ＤＣコンバータと、前記昇圧型ＤＣ／ＤＣコンバータによって昇圧された直流電力を交流電力に変換して前記系統電源に接続された負荷に出力するインバータとを備える第一電力変換器と、前記第一直流電力を降圧する降圧型ＤＣ／ＤＣコンバータと、前記系統電源の交流電力を直流電力に変換して降圧する降圧型ＡＣ／ＤＣコンバータとを備え、前記降圧型ＤＣ／ＤＣコンバータから出力される直流電力である第二直流電力、および、前記降圧型ＡＣ／ＤＣコンバータから出力される直流電力である第三直流電力のうちの少なくとも一方を出力可能な第二電力変換器と、前記第二直流電力および前記第三直流電力のうちの少なくとも一方が駆動用電源として供給され、少なくとも前記第一電力変換器および前記第二電力変換器を駆動制御する制御装置と、前記燃料電池スタックの発電状態を検出する発電状態検出器と、を備える発電ユニットであって、前記制御装置は、前記発電状態検出器の検出結果に基づいて前記燃料電池スタックの前記発電状態が発電能力を超えていると判断したときに、前記降圧型ＤＣ／ＤＣコンバータから前記第二直流電力を出力させることを中止して前記降圧型ＡＣ／ＤＣコンバータから前記第三直流電力を出力させる前記駆動用電源の切り替えを行う。
【発明の効果】
【０００９】
本発明に係る発電ユニットによれば、燃料電池スタックの発電状態が発電能力を超えているときに、発電ユニットは、降圧型ＡＣ／ＤＣコンバータから出力される第三直流電力によって駆動用電源を確保する。そのため、発電ユニットは、燃料電池スタックの劣化の可能性が高いときに、自身の駆動用電源分、燃料電池スタックの発電出力を低減させることができ、燃料電池スタックの劣化を抑制することができる。このとき、発電ユニットは、系統電源の交流電力から生成される第三直流電力によって駆動用電源を確保するので、燃料電池スタック劣化時の代替用の燃料電池スタック、ＤＣ／ＤＣコンバータ等が不要であり、燃料電池スタックの劣化に備えてシステム全体が大型化することを抑制することができる。つまり、本発明に係る発電ユニットは、燃料電池スタックの劣化の抑制と、システム全体の大型化の抑制との両立を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】発電ユニット１の一例を示す構成図である。
【図２】昇圧型ＤＣ／ＤＣコンバータ４１の一例を示す構成図である。
【図３】インバータ４２の一例を示す構成図である。
【図４】降圧型ＤＣ／ＤＣコンバータ５１の一例を示す構成図である。
【図５】降圧型ＡＣ／ＤＣコンバータ５２の一例を示す構成図である。
【図６】制御装置６の一例を示す構成図である。
【図７】制御装置６の制御ブロックの一例を示すブロック図である。
【図８】駆動用電源の切り替え手順の一例を示すフローチャートである。
【図９】燃料電池スタック２１ｃの発電出力（発電量）の経時変化の一例と、発電ユニット１の駆動用電源として必要な電力の経時変化の一例とを併せて示す波形図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本実施形態の発電ユニット１について説明する。
＜発電ユニット１の構成＞
図１に示すように、本実施形態の発電ユニット１は、燃料電池発電装置２、第一電力変換器４、第二電力変換器５、制御装置６、一つまたは複数の発電状態検出器７、一つまたは複数の系統電源出力検出器８および複数の補機９，９を備えている。また、第一電力変換器４は、昇圧型ＤＣ／ＤＣコンバータ４１およびインバータ４２を備えており、第二電力変換器５は、降圧型ＤＣ／ＤＣコンバータ５１、降圧型ＡＣ／ＤＣコンバータ５２およびダイオード５０ａ，５０ｂを備えている。なお、系統電源３に接続された一つまたは複数の負荷３１には、インバータ４２から出力される交流電力または系統電源３の交流電力が供給される。
【００１２】
（燃料電池発電装置２）
燃料電池発電装置２は、燃料と酸化剤ガスとによって発電する燃料電池スタック２１ｃを備える発電装置であり、直流電力を出力する。燃料電池発電装置２は、燃料電池スタック２１ｃを備える燃料電池モジュール２１と、熱交換器２２と、水タンク２３とを備えている。なお、本実施形態では、燃料電池スタック２１ｃの発電によって生じた排熱を利用するコジェネレーションシステムが構成されている。コジェネレーションシステムは、発電ユニット１および貯湯槽２４を備えている。
【００１３】
燃料電池モジュール２１は、蒸発部２１ａ、改質部２１ｂおよび燃料電池スタック２１ｃを備えており、これらは、密閉されたケーシング２１ｄ内に収容されている。また、ケーシング２１ｄ内において、蒸発部２１ａおよび改質部２１ｂと、燃料電池スタック２１ｃとの間には、燃焼部２１ｅが形成されている。燃料電池モジュール２１には、改質用原料、改質水およびカソードエア（酸化剤ガスともいい、本実施形態では空気を用いる。）が供給可能になっている。具体的には、改質用原料は、改質用原料ポンプ２１ｆによって燃料電池モジュール２１の蒸発部２１ａに供給される。改質水は、改質水用ポンプ２１ｇによって水タンク２３から燃料電池モジュール２１の蒸発部２１ａに供給される。空気（カソードエア）は、カソードエアブロワ２１ｈによって燃料電池モジュール２１の燃料電池スタック２１ｃに供給される。改質用原料ポンプ２１ｆ、改質水用ポンプ２１ｇおよびカソードエアブロワ２１ｈは、複数の補機９，９に含まれる。
【００１４】
熱交換器２２は、燃料電池モジュール２１から排気される燃焼排ガスが供給されるとともに貯湯槽２４からの貯湯水が供給され、燃焼排ガスと貯湯水とが熱交換する熱交換器である。貯湯槽２４は、貯湯水を貯湯するものであり、貯湯水は熱交換器２２および貯湯槽２４を循環する。熱交換器２２には、燃料電池モジュール２１からの排気管２１ｉが接続（貫設）されている。また、熱交換器２２には、水タンク２３に接続されている凝縮水供給管が接続されている。
【００１５】
熱交換器２２において、燃料電池モジュール２１からの燃焼排ガスは、排気管２１ｉを通って熱交換器２２内に導入され、貯湯水との間で熱交換が行われ凝縮されるとともに冷却される。凝縮後の燃焼排ガスは、排気管２１ｉを通って外部に排出される。また、凝縮された凝縮水は、凝縮水供給管を通って水タンク２３に供給される。なお、水タンク２３は、例えば、凝縮水をイオン交換樹脂によって純水化することができる。このようにして、熱交換器２２および貯湯槽２４によって、排熱回収システムが構成されている。排熱回収システムは、燃料電池モジュール２１の排熱を貯湯水に回収して蓄える。
【００１６】
蒸発部２１ａは、燃料電池スタック２１ｃの燃焼ガスにより加熱され、供給された改質水を蒸発させて水蒸気を生成するとともに供給された改質用原料を予熱する。蒸発部２１ａは、生成された水蒸気と予熱された改質用原料とを混合して改質部２１ｂに供給する。改質用原料は、例えば、天然ガス、ＬＰガスなどの改質用気体燃料を用いることができ、灯油、ガソリン、メタノールなどの改質用液体燃料を用いることもできる。
【００１７】
改質部２１ｂは、上述した燃焼ガスにより加熱されて水蒸気改質反応に必要な熱が供給される。これにより、改質部２１ｂは、蒸発部２１ａから供給された水蒸気と改質用原料の混合ガスとから燃料である改質ガスを生成する。改質部２１ｂ内には、触媒（例えば、ルテニウム（Ｒｕ）またはニッケル（Ｎｉ）系の触媒）が充填されており、混合ガスが触媒によって反応し改質されて、水素と一酸化炭素などを含んだガスが生成される（いわゆる水蒸気改質反応）。
【００１８】
これら生成されたガス（いわゆる改質ガス）は、燃料電池スタック２１ｃに供給される。改質ガスは、水素、一酸化炭素、二酸化炭素、水蒸気、未改質の天然ガス（メタンガス）、改質に使用されなかった改質水（水蒸気）を含んでいる。このように、改質部２１ｂは、改質用原料（原燃料）と改質水とから改質ガス（燃料）を生成して燃料電池スタック２１ｃに供給する。なお、水蒸気改質反応は吸熱反応である。
【００１９】
燃料電池スタック２１ｃは、種々の燃料電池（例えば、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ：Ｓｏｌｉｄ  Ｏｘｉｄｅ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ）など）を用いることができる。燃料電池スタック２１ｃは、図示略の複数の燃料電池セルを備えている。複数の燃料電池セルの各々は、燃料極、空気極（酸化剤極）および電解質を備えており、電解質は、燃料極と空気極との間に設けられている。つまり、複数の燃料電池セルの各々は、燃料極、電解質および空気極の順に積層されている。燃料極には、燃料である既述の改質ガスが供給される。燃料電池セルの燃料極側には、燃料である改質ガスが流通する燃料流路が形成されている。燃料電池セルの空気極側には、空気（カソードエア）が流通する空気流路が形成されている。空気流路には、空気（カソードエア）がカソードエアブロワ２１ｈによって供給される。
【００２０】
複数の燃料電池セルの各々では、燃料極に供給された燃料と、空気極に供給された酸化剤ガス（空気）とによって発電が行われる。具体的には、燃料極では、下記化１および下記化２に示す反応が生じ、空気極では、下記化３に示す反応が生じている。すなわち、空気極で生成した酸化物イオン（Ｏ２−）が電解質を透過し、燃料極で水素と反応することにより、電気エネルギーが発生する。
（化１）
Ｈ２＋Ｏ２−→Ｈ２Ｏ＋２ｅ−
（化２）
ＣＯ＋Ｏ２−→ＣＯ２＋２ｅ−
（化３）
１／２Ｏ２＋２ｅ−→Ｏ２−
【００２１】
なお、発電に使用されなかった改質ガスが燃料流路から導出し、発電に使用されなかった酸化剤ガス（空気）が空気流路から導出する。発電に使用されなかった改質ガスおよび酸化剤ガス（空気）は、燃焼部２１ｅにおいて燃焼される。蒸発部２１ａおよび改質部２１ｂは、燃焼ガスによって加熱される。また、燃焼ガスは、ケーシング２１ｄ内を動作温度に加熱する。
【００２２】
（系統電源３、一つまたは複数の負荷３１）
系統電源３は、交流の系統電源であり、電力会社が保有する商用の配電線網から供給される電源をいう。系統電源３は、単相であっても、多相（例えば、三相）であっても良い。図１に示すように、インバータ４２と負荷３１との間には、電路Ｌ１３が形成されており、系統電源３と負荷３１との間には、電路Ｌ１４が形成されている。電路Ｌ１３および電路Ｌ１４が切り替えられることにより、インバータ４２または系統電源３の交流電力が負荷３１に給電可能になっている。
【００２３】
負荷３１は、電気を駆動源とする負荷であり、例えば、家庭用電気機器（電化製品など）や産業用電気機器（ロボットなど）が挙げられる。負荷３１は、一つであっても複数であっても良い。なお、図１では、電路Ｌ１３および電路Ｌ１４は、それぞれ一本の直線によって模式的に示されている。実際は、複数の電路が設けられており、各電路は、例えば、公知の電力用電線などを用いて形成されている。以上のことは、後述する電路についても同様である。
【００２４】
（第一電力変換器４）
第一電力変換器４は、燃料電池スタック２１ｃと系統電源３との間に設けられており、昇圧型ＤＣ／ＤＣコンバータ４１およびインバータ４２を備えている。図１に示すように、燃料電池スタック２１ｃと昇圧型ＤＣ／ＤＣコンバータ４１との間は、電路Ｌ１１によって電気的に接続されており、昇圧型ＤＣ／ＤＣコンバータ４１とインバータ４２との間は、電路Ｌ１２によって電気的に接続されている。
【００２５】
（昇圧型ＤＣ／ＤＣコンバータ４１）
昇圧型ＤＣ／ＤＣコンバータ４１は、第一直流電力を昇圧して、インバータ４２に出力する。本明細書では、燃料電池スタック２１ｃから出力された直流電力を第一直流電力という。図２に示すように、昇圧型ＤＣ／ＤＣコンバータ４１は、入力側端子４１ａ，４１ｂおよび出力側端子４１ｃ，４１ｄを備えている。入力側端子４１ａと出力側端子４１ｃとの間には、電路Ｌ４１１が形成されており、入力側端子４１ｂと出力側端子４１ｄとの間には、電路Ｌ４１２が形成されている。燃料電池スタック２１ｃから出力された第一直流電力は、電路Ｌ１１を介して、入力側端子４１ａ，４１ｂに印加される。昇圧型ＤＣ／ＤＣコンバータ４１によって昇圧された直流電力は、出力側端子４１ｃ，４１ｄから出力される。なお、入力側端子４１ａおよび出力側端子４１ｃは、正極であり、入力側端子４１ｂおよび出力側端子４１ｄは、負極である。
【００２６】
昇圧型ＤＣ／ＤＣコンバータ４１は、リアクトル４１ｅ、ダイオード４１ｆ、スイッチング素子４１ｇおよびコンデンサ４１ｈを備えている。これらの素子は、公知の電力用デバイスを用いることができる。例えば、スイッチング素子４１ｇは、公知の電界効果トランジスタ（ＦＥＴ：Ｆｉｅｌｄ  Ｅｆｆｅｃｔ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ：Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ  Ｇａｔｅ  Ｂｉｐｏｌａｒ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）などを用いることができ、コンデンサ４１ｈは、公知の電解コンデンサを用いることができる。
【００２７】
電路Ｌ４１１には、入力側端子４１ａ側から順に、リアクトル４１ｅ、ダイオード４１ｆが設けられている。また、リアクトル４１ｅとダイオード４１ｆとの間の電路Ｌ４１１には、接続点４１ｉが設けられており、接続点４１ｉには、スイッチング素子４１ｇのドレイン４１ｇ１が接続されている。スイッチング素子４１ｇのソース４１ｇ２は、電路Ｌ４１２に設けられる接続点４１ｊに接続されており、接続点４１ｉと接続点４１ｊとの間には、電路Ｌ４１３が形成されている。なお、スイッチング素子４１ｇのゲート４１ｇ３は、図示略の駆動回路（ドライバ回路など）を介して、後述する制御装置６に接続されている。
【００２８】
また、ダイオード４１ｆと出力側端子４１ｃとの間の電路Ｌ４１１には、接続点４１ｋが設けられており、接続点４１ｋには、コンデンサ４１ｈの一端側（正極側端子）が接続されている。コンデンサ４１ｈの他端側（負極側端子）は、電路Ｌ４１２に設けられる接続点４１ｌに接続されている。なお、昇圧型ＤＣ／ＤＣコンバータ４１は、燃料電池スタック２１ｃから出力される第一直流電力を昇圧することができれば良く、上述の構成に限定されるものではない。
【００２９】
昇圧型ＤＣ／ＤＣコンバータ４１には、公知の電圧検出器、電流検出器などの各種検出器を設けることができる。例えば、昇圧型ＤＣ／ＤＣコンバータ４１の出力電圧（出力側端子４１ｃ，４１ｄの間の直流電圧）を測定する電圧検出器を設けることができる。電圧検出器は、例えば、昇圧型ＤＣ／ＤＣコンバータ４１の出力電圧を、抵抗値が既知の抵抗器によって分圧して、分圧された電圧値に基づいて昇圧型ＤＣ／ＤＣコンバータ４１の出力電圧（直流電圧）を算出することができる。
【００３０】
制御装置６は、昇圧型ＤＣ／ＤＣコンバータ４１の出力電圧（直流電圧）に基づいて、パルス信号のデューティ比を決定することができる。制御装置６は、駆動回路（ドライバ回路など）を介して、当該デューティ比に基づくパルス信号をスイッチング素子４１ｇのゲート４１ｇ３に付与する。スイッチング素子４１ｇのゲート４１ｇ３に付与される電圧がハイレベルのときには、スイッチング素子４１ｇのドレイン４１ｇ１とソース４１ｇ２との間が導通状態になり、リアクトル４１ｅに電磁エネルギーが蓄えられる。
【００３１】
スイッチング素子４１ｇのゲート４１ｇ３に付与される電圧がローレベルのときには、スイッチング素子４１ｇのドレイン４１ｇ１とソース４１ｇ２との間が遮断された開放状態になり、リアクトル４１ｅに蓄えられた電磁エネルギーがコンデンサ４１ｈに充電されて、昇圧型ＤＣ／ＤＣコンバータ４１の出力電圧（直流電圧）は上昇する。このようにして、制御装置６は、昇圧型ＤＣ／ＤＣコンバータ４１の出力電圧（直流電圧）を所望の電圧値に制御することができる。つまり、制御装置６は、例えば、パルス振幅変調（ＰＡＭ：Ｐｕｌｓｅ  Ａｍｐｌｉｔｕｄｅ  Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）方式によって、昇圧型ＤＣ／ＤＣコンバータ４１の出力電圧（直流電圧）を可変制御することができる。
【００３２】
（インバータ４２）
インバータ４２は、昇圧型ＤＣ／ＤＣコンバータ４１によって昇圧された直流電力を交流電力に変換して系統電源３に接続された負荷３１に出力する。図３に示すように、インバータ４２は、入力側端子４２ａ，４２ｂおよび出力側端子４２ｃ，４２ｄを備えている。昇圧型ＤＣ／ＤＣコンバータ４１の出力電圧（直流電圧）は、電路Ｌ１２を介して、入力側端子４２ａ，４２ｂに印加され、インバータ４２によって交流電力に変換されて、出力側端子４２ｃ，４２ｄから交流電力が出力される。
【００３３】
インバータ４２は、第一スイッチング素子４２ｅ〜第四スイッチング素子４２ｈを備えており、第一スイッチング素子４２ｅ〜第四スイッチング素子４２ｈは、ブリッジ接続されている。第一スイッチング素子４２ｅ〜第四スイッチング素子４２ｈは、昇圧型ＤＣ／ＤＣコンバータ４１のスイッチング素子４１ｇと同様に、公知の電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）などを用いることができる。図２および図３に示すように、これらのスイッチング素子には、還流ダイオードがそれぞれ設けられている。還流ダイオードは、スイッチング素子のボディダイオード（寄生ダイオード）を用いることができる。また、還流ダイオードは、別途設けることもでき、スイッチング素子にそれぞれ並列接続することもできる。以上のことは、第二電力変換器５の各スイッチング素子についても同様である。
【００３４】
第一スイッチング素子４２ｅ〜第四スイッチング素子４２ｈの各ゲート４２ｅ３〜４２ｈ３は、図示略の駆動回路（ドライバ回路など）を介して、制御装置６に接続されており、第一スイッチング素子４２ｅ〜第四スイッチング素子４２ｈは、制御装置６から出力される駆動信号に基づいて開閉制御される。例えば、第一スイッチング素子４２ｅのゲート４２ｅ３にハイレベルが付与されると、第一スイッチング素子４２ｅのドレイン４２ｅ１とソース４２ｅ２との間が導通状態になる。また、第四スイッチング素子４２ｈのゲート４２ｈ３にハイレベルが付与されると、第四スイッチング素子４２ｈのドレイン４２ｈ１とソース４２ｈ２との間が導通状態になる。
【００３５】
このとき、第二スイッチング素子４２ｆのゲート４２ｆ３には、ローレベルが付与され、第二スイッチング素子４２ｆのドレイン４２ｆ１とソース４２ｆ２との間が遮断された開放状態になる。また、第三スイッチング素子４２ｇのゲート４２ｇ３には、ローレベルが付与され、第三スイッチング素子４２ｇのドレイン４２ｇ１とソース４２ｇ２との間が遮断された開放状態になる。この場合、昇圧型ＤＣ／ＤＣコンバータ４１から出力された直流電流は、インバータ４２の入力側端子４２ａ、第一スイッチング素子４２ｅ、インバータ４２の出力側端子４２ｃ、電路Ｌ１３、負荷３１、電路Ｌ１３、インバータ４２の出力側端子４２ｄ、第四スイッチング素子４２ｈ、インバータ４２の入力側端子４２ｂの順に流れる。上述の第一スイッチング素子４２ｅ〜第四スイッチング素子４２ｈの状態を第一状態とする。
【００３６】
次に、第一スイッチング素子４２ｅのゲート４２ｅ３にローレベルが付与され、第一スイッチング素子４２ｅのドレイン４２ｅ１とソース４２ｅ２との間が遮断された開放状態になる。また、第四スイッチング素子４２ｈのゲート４２ｈ３にローレベルが付与され、第四スイッチング素子４２ｈのドレイン４２ｈ１とソース４２ｈ２との間が遮断された開放状態になる。
【００３７】
このとき、第二スイッチング素子４２ｆのゲート４２ｆ３には、ハイレベルが付与され、第二スイッチング素子４２ｆのドレイン４２ｆ１とソース４２ｆ２との間が導通状態になる。また、第三スイッチング素子４２ｇのゲート４２ｇ３には、ハイレベルが付与され、第三スイッチング素子４２ｇのドレイン４２ｇ１とソース４２ｇ２との間が導通状態になる。この場合、昇圧型ＤＣ／ＤＣコンバータ４１から出力された直流電流は、インバータ４２の入力側端子４２ａ、第三スイッチング素子４２ｇ、インバータ４２の出力側端子４２ｄ、電路Ｌ１３、負荷３１、電路Ｌ１３、インバータ４２の出力側端子４２ｃ、第二スイッチング素子４２ｆ、インバータ４２の入力側端子４２ｂの順に流れる。上述の第一スイッチング素子４２ｅ〜第四スイッチング素子４２ｈの状態を第二状態とする。
【００３８】
第二状態におけるインバータ４２と負荷３１との間の電流方向は、第一状態の場合と比べて、反対方向になっている。このように、インバータ４２は、第一状態および第二状態を順に繰り返すことによって、インバータ４２の入力側端子４２ａ，４２ｂから入力された直流電力を交流電力に変換して、インバータ４２の出力側端子４２ｃ，４２ｄから交流電力を出力することができる。なお、制御装置６は、種々の開閉制御を行うことができる。制御装置６は、例えば、パルス幅変調（ＰＷＭ：Ｐｕｌｓｅ  Ｗｉｄｔｈ  Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）方式によりデューティ比を可変して、可変されたデューティ比に基づいて第一スイッチング素子４２ｅ〜第四スイッチング素子４２ｈの導通時間および遮断時間を制御することができる。
【００３９】
（第二電力変換器５）
第二電力変換器５は、第一電力変換器４と並列接続されており、降圧型ＤＣ／ＤＣコンバータ５１、降圧型ＡＣ／ＤＣコンバータ５２およびダイオード５０ａ，５０ｂを備えている。図１に示すように、電路Ｌ１１は、途中で分岐しており、電路Ｌ１１の分岐点は、電路Ｌ１５の一端側と電気的に接続されている。また、電路Ｌ１３は、途中で分岐しており、電路Ｌ１３の分岐点は、電路Ｌ１７の一端側と電気的に接続されている。電路Ｌ１５の他端側は、降圧型ＤＣ／ＤＣコンバータ５１と電気的に接続されており、電路Ｌ１７の他端側は、降圧型ＡＣ／ＤＣコンバータ５２と電気的に接続されている。さらに、降圧型ＤＣ／ＤＣコンバータ５１と降圧型ＡＣ／ＤＣコンバータ５２との間は、電路Ｌ１６によって電気的に接続されている。
【００４０】
（降圧型ＤＣ／ＤＣコンバータ５１）
降圧型ＤＣ／ＤＣコンバータ５１は、第一直流電力を降圧する。図４に示すように、降圧型ＤＣ／ＤＣコンバータ５１は、入力側端子５１ａ，５１ｂおよび出力側端子５１ｃ，５１ｄを備えている。入力側端子５１ａと出力側端子５１ｃとの間には、電路Ｌ５１１が形成されており、入力側端子５１ｂと出力側端子５１ｄとの間には、電路Ｌ５１２が形成されている。燃料電池スタック２１ｃから出力された第一直流電力は、電路Ｌ１５を介して、入力側端子５１ａ，５１ｂに印加される。降圧型ＤＣ／ＤＣコンバータ５１によって降圧された直流電力は、出力側端子５１ｃ，５１ｄから出力される。本明細書では、降圧型ＤＣ／ＤＣコンバータ５１から出力される直流電力を第二直流電力という。なお、入力側端子５１ａおよび出力側端子５１ｃは、正極であり、入力側端子５１ｂおよび出力側端子５１ｄは、負極である。
【００４１】
降圧型ＤＣ／ＤＣコンバータ５１は、昇圧型ＤＣ／ＤＣコンバータ４１と同様に、リアクトル５１ｅ、ダイオード５１ｆ、スイッチング素子５１ｇおよびコンデンサ５１ｈを備えている。これらの素子は、昇圧型ＤＣ／ＤＣコンバータ４１と同様の電力用デバイスを用いることができる。但し、降圧型ＤＣ／ＤＣコンバータ５１は、これらの素子の配置が昇圧型ＤＣ／ＤＣコンバータ４１と異なる。
【００４２】
具体的には、電路Ｌ５１１には、入力側端子５１ａ側から順に、スイッチング素子５１ｇ、リアクトル５１ｅが設けられている。スイッチング素子５１ｇは、スイッチング素子５１ｇのドレイン５１ｇ１が入力側端子５１ａに接続され、スイッチング素子５１ｇのソース５１ｇ２がリアクトル５１ｅに接続されている。また、スイッチング素子５１ｇとリアクトル５１ｅとの間の電路Ｌ５１１には、接続点５１ｉが設けられており、接続点５１ｉには、ダイオード５１ｆのカソード側が接続されている。ダイオード５１ｆのアノード側は、電路Ｌ５１２に設けられる接続点５１ｊに接続されており、接続点５１ｉと接続点５１ｊとの間には、電路Ｌ５１３が形成されている。なお、スイッチング素子５１ｇのゲート５１ｇ３は、図示略の駆動回路（ドライバ回路など）を介して、制御装置６に接続されている。
【００４３】
また、リアクトル５１ｅと出力側端子５１ｃとの間の電路Ｌ５１１には、接続点５１ｋが設けられており、接続点５１ｋには、コンデンサ５１ｈの一端側（正極側端子）が接続されている。コンデンサ５１ｈの他端側（負極側端子）は、電路Ｌ５１２に設けられる接続点５１ｌに接続されている。なお、降圧型ＤＣ／ＤＣコンバータ５１は、燃料電池スタック２１ｃから出力される第一直流電力を降圧することができれば良く、上述の構成に限定されるものではない。
【００４４】
降圧型ＤＣ／ＤＣコンバータ５１には、公知の電圧検出器、電流検出器などの各種検出器を設けることができる。例えば、昇圧型ＤＣ／ＤＣコンバータ４１と同様に、降圧型ＤＣ／ＤＣコンバータ５１の出力電圧（出力側端子５１ｃ，５１ｄ間の直流電圧）を測定する電圧検出器を設けることができる。制御装置６は、降圧型ＤＣ／ＤＣコンバータ５１の出力電圧（直流電圧）に基づいて、パルス信号のデューティ比を決定する。制御装置６は、駆動回路（ドライバ回路など）を介して、当該デューティ比に基づくパルス信号をスイッチング素子５１ｇのゲート５１ｇ３に付与する。スイッチング素子５１ｇのゲート５１ｇ３に付与される電圧がハイレベルのときには、スイッチング素子５１ｇのドレイン５１ｇ１とソース５１ｇ２との間が導通状態になる。その結果、入力側端子５１ａ、スイッチング素子５１ｇ、リアクトル５１ｅ、コンデンサ５１ｈ、入力側端子５１ｂを通る回路が形成される。
【００４５】
スイッチング素子５１ｇのゲート５１ｇ３に付与される電圧がローレベルのときには、スイッチング素子５１ｇのドレイン５１ｇ１とソース５１ｇ２との間が遮断された開放状態になる。その結果、ダイオード５１ｆ、リアクトル５１ｅ、コンデンサ５１ｈを通る閉回路が形成される。このようにして、制御装置６は、スイッチング素子５１ｇのＯＮ時間（導通状態の時間）およびＯＦＦ時間（開放状態の時間）を制御することにより、スイッチング素子５１ｇのＯＮ時間（導通状態の時間）およびＯＦＦ時間（開放状態の時間）の比率に比例して、降圧型ＤＣ／ＤＣコンバータ５１の出力電圧を低下させることができる。つまり、制御装置６は、パルス振幅変調（ＰＡＭ）方式によって、降圧型ＤＣ／ＤＣコンバータ５１の出力電圧（直流電圧）を可変制御することができる。
【００４６】
（降圧型ＡＣ／ＤＣコンバータ５２）
降圧型ＡＣ／ＤＣコンバータ５２は、系統電源３の交流電力を直流電力に変換して降圧する。図５に示すように、降圧型ＡＣ／ＤＣコンバータ５２は、入力側端子５２ａ，５２ｂおよび出力側端子５２ｃ，５２ｄを備えている。系統電源３の交流電力は、電路Ｌ１４の一部、電路Ｌ１３の一部、電路Ｌ１７を介して、入力側端子５２ａ，５２ｂに印加される。印加された交流電力は、降圧型ＡＣ／ＤＣコンバータ５２によって直流電力に変換されて降圧される。降圧された直流電力は、出力側端子５２ｃ，５２ｄから出力される。本明細書では、降圧型ＡＣ／ＤＣコンバータ５２から出力される直流電力を第三直流電力という。なお、出力側端子５２ｃは、正極であり、出力側端子５２ｄは、負極である。また、出力側端子５２ｃには、電路Ｌ５２１の他端側が接続されており、出力側端子５２ｄには、電路Ｌ５２２の他端側が接続されている。
【００４７】
降圧型ＡＣ／ＤＣコンバータ５２は、降圧型ＤＣ／ＤＣコンバータ５１と同様に、リアクトル５２ｅ、ダイオード５２ｆ、スイッチング素子５２ｇおよびコンデンサ５２ｈを備えている。これらの素子は、昇圧型ＤＣ／ＤＣコンバータ４１、降圧型ＤＣ／ＤＣコンバータ５１と同様の電力用デバイスを用いることができる。なお、これらの素子の配置は、降圧型ＤＣ／ＤＣコンバータ５１と同様であるので、重複する説明を省略する。
【００４８】
降圧型ＡＣ／ＤＣコンバータ５２は、降圧型ＤＣ／ＤＣコンバータ５１に相当する回路の入力側に、整流回路５２ｍが設けられている点で、降圧型ＤＣ／ＤＣコンバータ５１と異なる。整流回路５２ｍは、４つのダイオード５２ｎ，５２ｎ，５２ｎ，５２ｎがブリッジ接続されており、ダイオードブリッジ５２ｐが構成されている。ダイオードブリッジ５２ｐの入力側は、入力側端子５２ａ，５２ｂに接続されており、ダイオードブリッジ５２ｐの出力側には、コンデンサ５２ｑが並列接続されている。整流回路５２ｍの各素子は、既述の電力用デバイスを用いることができる。なお、コンデンサ５２ｑは、公知の電解コンデンサを用いることができる。
【００４９】
図５に示すように、整流回路５２ｍの入力側は、入力側端子５２ａ，５２ｂに接続されており、整流回路５２ｍの出力側は、電路Ｌ５２１の一端側および電路Ｌ５２２の一端側に接続されている。入力側端子５２ａ，５２ｂに印加された系統電源３の交流電力は、整流回路５２ｍによって整流されて、直流電力に変換される。変換された直流電力は、降圧型ＤＣ／ＤＣコンバータ５１に相当する回路によって、降圧型ＤＣ／ＤＣコンバータ５１と同様にして降圧される。降圧された直流電力は、出力側端子５２ｃ，５２ｄから出力される。
【００５０】
なお、降圧型ＡＣ／ＤＣコンバータ５２は、系統電源３の交流電力を直流電力に変換して降圧することができれば良く、上述の構成に限定されるものではない。本明細書では、昇圧型ＤＣ／ＤＣコンバータ４１、降圧型ＤＣ／ＤＣコンバータ５１および降圧型ＡＣ／ＤＣコンバータ５２は、チョッパ方式のコンバータを例に、回路構成および動作が説明されているが、これに限定されるものではない。例えば、トランスを用いた絶縁タイプのコンバータを使用することができる。特に、降圧型ＡＣ／ＤＣコンバータ５２は、系統電源３に接続されるので、絶縁タイプの降圧型ＡＣ／ＤＣコンバータを使用すると好適である。なお、絶縁タイプのコンバータは、公知の種々の回路構成および駆動方式を用いることができる。また、いずれのコンバータにおいても、公知の起動回路、保護回路（例えば、過電圧保護回路、過電流保護回路、突入電流保護回路など）、帰還回路などを設けることができる。
【００５１】
（ダイオード５０ａ，５０ｂ）
図１に示すように、電路Ｌ１６には、２つのダイオード５０ａ，５０ｂが設けられている。２つのダイオード５０ａ，５０ｂは、公知の電力用ダイオードを用いることができる。ダイオード５０ａのアノード側は、降圧型ＤＣ／ＤＣコンバータ５１の出力側端子５１ｃと電気的に接続されている。ダイオード５０ｂのアノード側は、降圧型ＡＣ／ＤＣコンバータ５２の出力側端子５２ｃと電気的に接続されている。また、２つのダイオード５０ａ，５０ｂのカソード同士は、電路Ｌ１６によって電気的に接続されている。さらに、２つのダイオード５０ａ，５０ｂのカソード同士を接続する区間において、電路Ｌ１６は、分岐しており、電路Ｌ１８の一端側が接続されている。電路Ｌ１６の分岐点を接続点５Ｐ１とする。
【００５２】
降圧型ＤＣ／ＤＣコンバータ５１から出力された第二直流電力は、ダイオード５０ａ、接続点５Ｐ１、電路Ｌ１８を通って、出力される。このとき、ダイオード５０ｂは、第二直流電力が降圧型ＡＣ／ＤＣコンバータ５２側に出力されることを規制する。一方、降圧型ＡＣ／ＤＣコンバータ５２から出力された第三直流電力は、ダイオード５０ｂ、接続点５Ｐ１、電路Ｌ１８を通って、出力される。このとき、ダイオード５０ａは、第三直流電力が降圧型ＤＣ／ＤＣコンバータ５１側に出力されることを規制する。このようにして、第二電力変換器５は、降圧型ＤＣ／ＤＣコンバータ５１から出力される第二直流電力、および、降圧型ＡＣ／ＤＣコンバータ５２から出力される第三直流電力のうちの少なくとも一方を出力可能になっている。なお、図１に示すように、電路Ｌ１８の他端側は、３つに分岐しており、制御装置６、一の補機９、他の一の補機９の補機用ＤＣ／ＤＣコンバータ９１とそれぞれ電気的に接続されている。そのため、第二電力変換器５から出力された直流電力（第二直流電力、第三直流電力）は、制御装置６、一の補機９、他の一の補機９の補機用ＤＣ／ＤＣコンバータ９１に供給可能になっている。
【００５３】
（制御装置６）
既述のとおり、制御装置６には、第二直流電力および第三直流電力のうちの少なくとも一方が駆動用電源として供給される。また、図６に示すように、制御装置６は、公知の中央演算装置６０ａ、記憶装置６０ｂおよび入出力インターフェース６０ｃを備えており、これらは、バス６０ｄを介して接続されている。制御装置６は、これらを用いて、少なくとも第一電力変換器４および第二電力変換器５を駆動制御することができる。
【００５４】
中央演算装置６０ａは、ＣＰＵ：Ｃｅｎｔｒａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ  Ｕｎｉｔであり、種々の演算処理を行うことができる。記憶装置６０ｂは、第一記憶装置６０ｂ１および第二記憶装置６０ｂ２を備えている。第一記憶装置６０ｂ１は、読み出しおよび書き込み可能な揮発性の記憶装置（ＲＡＭ：Ｒａｎｄｏｍ  Ａｃｃｅｓｓ  Ｍｅｍｏｒｙ）であり、第二記憶装置６０ｂ２は、読み出し専用の不揮発性の記憶装置（ＲＯＭ：Ｒｅａｄ  Ｏｎｌｙ  Ｍｅｍｏｒｙ）である。
【００５５】
例えば、中央演算装置６０ａは、第二記憶装置６０ｂ２に記憶されている昇圧型ＤＣ／ＤＣコンバータ４１の駆動プログラムを第一記憶装置６０ｂ１に読み出して、駆動プログラムを実行する。中央演算装置６０ａは、駆動プログラムに基づいて、昇圧型ＤＣ／ＤＣコンバータ４１の駆動信号を生成する。生成された駆動信号は、入出力インターフェース６０ｃおよび駆動回路（ドライバ回路など）を介して、昇圧型ＤＣ／ＤＣコンバータ４１のスイッチング素子４１ｇのゲート４１ｇ３に付与される。このようにして、昇圧型ＤＣ／ＤＣコンバータ４１は、制御装置６によって駆動制御される。以上のことは、インバータ４２、降圧型ＤＣ／ＤＣコンバータ５１および降圧型ＡＣ／ＤＣコンバータ５２についても同様である。
【００５６】
なお、図１では、破線の矢印によって、制御装置６の入出力信号（上述の駆動信号を含む）が示されている。本実施形態では、制御装置６は、第一電力変換器４および第二電力変換器５の他に、改質用原料ポンプ２１ｆ、改質水用ポンプ２１ｇおよびカソードエアブロワ２１ｈを含む複数の補機９，９を駆動制御することができる。また、制御装置６は、補機用ＤＣ／ＤＣコンバータ９１をはじめとする各種電気機器を駆動制御することもできる。
【００５７】
（一つまたは複数の発電状態検出器７）
発電状態検出器７は、燃料電池スタック２１ｃの発電状態を検出する。発電状態検出器７は、一つであっても複数であっても良い。図１に示すように、本実施形態では、発電状態検出器７は、電路Ｌ１１のうち、電路Ｌ１１の分岐点より燃料電池スタック２１ｃ側の第一検出位置７Ｐ１に設けられている。なお、発電状態検出器７は、電路Ｌ１１のうち、電路Ｌ１１の分岐点より昇圧型ＤＣ／ＤＣコンバータ４１側の第二検出位置７Ｐ２に設けることもできる。また、発電状態検出器７は、電路Ｌ１５の第三検出位置７Ｐ３に設けることもできる。第二電力変換器５に供給される第一直流電力と比べて、第一電力変換器４に供給される第一直流電力は極めて大きい。そのため、一つの発電状態検出器７によって、燃料電池スタック２１ｃの発電状態を検出する場合、発電状態検出器７は、第一検出位置７Ｐ１または第二検出位置７Ｐ２に設けると良い。
【００５８】
燃料電池スタック２１ｃの発電状態は、例えば、燃料電池スタック２１ｃの出力電圧、燃料電池スタック２１ｃの出力電流、燃料電池スタック２１ｃの出力電力などによって検出することができる。また、燃料電池スタック２１ｃの発電状態は、燃料電池スタック２１ｃの温度、改質用原料ポンプ２１ｆが吐出する改質用原料の流量、改質水用ポンプ２１ｇが吐出する改質水の流量、カソードエアブロワ２１ｈが送出する空気（カソードエア）の流量などによって検出することもできる。そのため、発電状態検出器７は、例えば、公知の電圧検出器、電流検出器、電力検出器、温度検出器、流量検出器などを用いることができる。
【００５９】
一般に、燃料電池スタック２１ｃの発電出力（発電量）が増加するにつれて、燃料電池スタック２１ｃの出力電圧は、次第に低下する。また、燃料電池スタック２１ｃの発電出力（発電量）が増加するにつれて、燃料電池スタック２１ｃの出力電流は、次第に増加する。さらに、燃料電池スタック２１ｃの発電状態の変化に対して、燃料電池スタック２１ｃの出力電圧および出力電流は、応答性が良い。よって、発電状態検出器７は、燃料電池スタック２１ｃの発電状態である燃料電池スタック２１ｃの出力電圧および出力電流のうちの少なくとも一方を検出すると好適である。これにより、発電状態検出器７は、燃料電池スタック２１ｃの発電状態を直接かつ正確に応答性良く検出することができる。
【００６０】
（一つまたは複数の系統電源出力検出器８）
系統電源出力検出器８は、系統電源３の出力状態を検出する。系統電源出力検出器８は、一つであっても複数であっても良い。図１に示すように、系統電源出力検出器８は、系統電源３と負荷３１との間の電路Ｌ１４に設けられている。系統電源３の出力状態は、例えば、系統電源３の出力電圧、系統電源３の出力電流、系統電源３の出力電力などによって検出することができる。そのため、系統電源出力検出器８は、例えば、公知の電圧検出器、電流検出器、電力検出器などを用いることができる。
【００６１】
（複数の補機９，９）
複数の補機９，９は、発電ユニット１を駆動させる補機であり、例えば、既述の改質用原料ポンプ２１ｆ、改質水用ポンプ２１ｇおよびカソードエアブロワ２１ｈなどが挙げられる。既述のとおり、複数の補機９，９には、第二直流電力および第三直流電力のうちの少なくとも一方が駆動用電源として供給される。なお、図１に示す複数の補機９，９は、説明の便宜上、駆動用電源の供給部を別途、図示したものである。駆動用電源は、駆動用電源の供給部を介して、補機本体（ドライバ回路を含む。）に供給される。
【００６２】
また、補機９の種類によっては、制御装置６の駆動用電源と比べて、駆動用電源の電圧等が異なる場合がある。同図は、複数の補機９，９のうち、一の補機９には、制御装置６と同じ駆動用電源が供給され、他の一の補機９には、補機用ＤＣ／ＤＣコンバータ９１によって電圧等が変更された駆動用電源が供給されることを示している。補機用ＤＣ／ＤＣコンバータ９１は、第二電力変換器５の出力（第二直流電力、第三直流電力）を昇圧または降圧する。補機用ＤＣ／ＤＣコンバータ９１は、例えば、昇圧型ＤＣ／ＤＣコンバータ４１または降圧型ＤＣ／ＤＣコンバータ５１と同様の構成にすることができる。
【００６３】
＜発電ユニット１の制御＞
本実施形態の発電ユニット１では、制御装置６は、燃料電池スタック２１ｃの発電状態が発電能力を超えているときに、降圧型ＤＣ／ＤＣコンバータ５１から第二直流電力を出力させることを中止して、降圧型ＡＣ／ＤＣコンバータ５２から第三直流電力を出力させる駆動用電源の切り替えを行う。制御装置６は、制御ブロックとして捉えると、比較部６１および指令部６３を備えている。また、制御装置６は、許可部６２を備えていると好適である。図７に示すように、本実施形態では、制御装置６は、比較部６１、許可部６２および指令部６３を備えている。
【００６４】
また、制御装置６は、図８に示すフローチャートに従って切り替えプログラムを実行することにより、駆動用電源の切り替えを行うことができる。切り替えプログラムは、第二記憶装置６０ｂ２に記憶されており、発電ユニット１の起動時に、第一記憶装置６０ｂ１に読み出される。切り替えプログラムは、所定時間毎に繰り返し実行される。以下、図７および図８を参照しつつ、駆動用電源の切り替え時の発電ユニット１の制御について説明する。
【００６５】
比較部６１は、発電状態検出器７の検出結果に基づいて、燃料電池スタック２１ｃの発電状態が発電能力を超えているか否かを判断する（図８のステップＳ１１）。燃料電池スタック２１ｃの発電状態が発電能力を超えているとは、燃料電池スタック２１ｃの発電出力（発電量）が増加して、燃料電池スタック２１ｃの発電出力（発電量）が燃料電池スタック２１ｃの劣化が予想される発電出力（発電量）に達している状態をいう。燃料電池スタック２１ｃの発電状態が発電能力を超えている状態は、例えば、燃料電池スタック２１ｃの発電出力（発電量）が最大定格出力を超えており、燃料電池スタック２１ｃが過負荷運転の状態になっている場合が挙げられる。
【００６６】
既述のとおり、本実施形態では、発電状態検出器７は、燃料電池スタック２１ｃの発電状態である燃料電池スタック２１ｃの出力電圧および出力電流のうちの少なくとも一方を検出する。そのため、比較部６１は、次の少なくとも一方の条件を充足するときに、燃料電池スタック２１ｃの発電状態が発電能力を超えていると判断すると好適である。（i）発電状態検出器７によって検出された燃料電池スタック２１ｃの出力電圧が基準電圧より低い。（ii）発電状態検出器７によって検出された燃料電池スタック２１ｃの出力電流が基準電流より大きい。
【００６７】
基準電圧および基準電流は、燃料電池スタック２１ｃの発電状態が発電能力を超えているか否かを判断する際の閾値である。基準電圧および基準電流は、燃料電池スタック２１ｃの種類、体格等に合わせて、予め設定されており、第二記憶装置６０ｂ２に記憶されている。基準電圧および基準電流のうちの少なくとも一方は、発電ユニット１の起動時に、第一記憶装置６０ｂ１に読み出される。なお、上述の条件を充足しない場合、比較部６１は、燃料電池スタック２１ｃの発電状態が発電能力を超えていないと判断することができる。
【００６８】
比較部６１は、例えば、燃料電池スタック２１ｃの発電状態が発電能力を超えていると判断したときに、過負荷フラグをハイレベルに設定する。一方、比較部６１は、燃料電池スタック２１ｃの発電状態が発電能力を超えていないと判断したときに、過負荷フラグをローレベルに設定する。指令部６３は、過負荷フラグがハイレベルのときに、駆動用電源の切り替えが可能である。なお、燃料電池スタック２１ｃの発電状態が発電能力を超えている場合（ステップＳ１１でＹｅｓの場合）、切り替え制御は、次のステップＳ１２に進む。燃料電池スタック２１ｃの発電状態が発電能力を超えていない場合（ステップＳ１１でＮｏの場合）、切り替え制御は、ステップＳ１５に進む。
【００６９】
許可部６２は、系統電源出力検出器８の検出結果に基づいて、系統電源３の交流電力が異常でないと判断したときに、駆動用電源の切り替えを可能にすると好適である（ステップＳ１２）。許可部６２は、例えば、系統電源出力検出器８によって検出された系統電源３の出力電圧が所定範囲のときに、系統電源３の交流電力が異常でない（停電や電圧降下がない）と判断することができる。また、許可部６２は、系統電源出力検出器８によって検出された系統電源３の出力電圧の位相と正常時の位相との位相差が所定範囲のときに、系統電源３の交流電力が異常でない（擾乱がない）と判断することができる。なお、これらの条件を充足しない場合、許可部６２は、系統電源３の交流電力が異常である（例えば、上述の停電、電圧降下、擾乱などが発生している）と判断することができる。
【００７０】
許可部６２は、例えば、系統電源３の交流電力が異常でない（系統電源３から交流電力が正常に給電されている）と判断したときに、許可フラグをハイレベルに設定する。一方、許可部６２は、系統電源３の交流電力が異常である（例えば、上述の停電、電圧降下、擾乱などが発生している）と判断したときに、許可フラグをローレベルに設定する。指令部６３は、許可フラグがハイレベルのときに、駆動用電源の切り替えが可能である。なお、系統電源３の交流電力に異常がない場合（ステップＳ１２でＹｅｓの場合）、切り替え制御は、次のステップＳ１３に進む。系統電源３の交流電力に異常がある場合（ステップＳ１２でＮｏの場合）、切り替え制御は、ステップＳ１５に進む。
【００７１】
指令部６３は、比較部６１によって燃料電池スタック２１ｃの発電状態が発電能力を超えていると判断され、かつ、許可部６２によって系統電源３の交流電力が異常でないと判断されたときに、駆動用電源の切り替えを行う。つまり、指令部６３は、過負荷フラグがハイレベル、かつ、許可フラグがハイレベルのときに、駆動用電源の切り替えを行う。このときの駆動用電源の切り替えは、降圧型ＤＣ／ＤＣコンバータ５１から第二直流電力を出力させることを中止して、降圧型ＡＣ／ＤＣコンバータ５２から第三直流電力を出力させる。
【００７２】
具体的には、指令部６３は、図４に示す降圧型ＤＣ／ＤＣコンバータ５１のスイッチング素子５１ｇのゲート５１ｇ３にパルス信号を付与することを中止する。これにより、スイッチング素子５１ｇのゲート５１ｇ３に付与される電圧は、ローレベルが継続し、スイッチング素子５１ｇのドレイン５１ｇ１とソース５１ｇ２との間が遮断された開放状態が継続する。その結果、ダイオード５１ｆ、リアクトル５１ｅ、コンデンサ５１ｈを通る閉回路が形成された状態が継続する。そして、降圧型ＤＣ／ＤＣコンバータ５１から出力される第二直流電力は、急激に低下し、降圧型ＤＣ／ＤＣコンバータ５１は、第二直流電力を出力しなくなる。
【００７３】
また、指令部６３は、降圧型ＤＣ／ＤＣコンバータ５１から第二直流電力が出力されている間に、図５に示す降圧型ＡＣ／ＤＣコンバータ５２のスイッチング素子５２ｇのゲート５２ｇ３にパルス信号を付与することを開始する。これにより、スイッチング素子５２ｇのゲート５２ｇ３に付与される電圧は、ハイレベル、ローレベルが繰り返され、降圧型ＡＣ／ＤＣコンバータ５２から第三直流電力が出力されるようになる。
【００７４】
なお、指令部６３は、燃料電池スタック２１ｃの発電状態が発電能力を超えていることを一定時間継続して比較部６１が判断したときに、駆動用電源の切り替えを行うと好適である（ステップＳ１３）。比較部６１は、例えば、燃料電池スタック２１ｃの発電状態が発電能力を超えていることを判断する毎に、カウンタを加算する。比較部６１が連続して所定回数分、上記判断をしなかった場合、指令部６３は、カウンタ値をクリアする。指令部６３は、カウンタ値が所定値（例えば、１０回）になったときに、駆動用電源の切り替えを行う。これにより、指令部６３は、発電状態検出器７の検出結果に含まれるノイズによって、不要な駆動用電源の切り替えが行われることを抑制することができる。
【００７５】
比較部６１が一定時間継続して上記判断をした場合（ステップＳ１３でＹｅｓの場合）、切り替え制御は、次のステップＳ１４に進む。ステップＳ１４では、指令部６３は、上述の駆動用電源の切り替えを行う。つまり、指令部６３は、降圧型ＤＣ／ＤＣコンバータ５１から第二直流電力を出力させることを中止して、降圧型ＡＣ／ＤＣコンバータ５２から第三直流電力を出力させる（ステップＳ１４）。そして、切り替え制御は、一旦、終了する。
【００７６】
一方、比較部６１が一定時間継続して上記判断をしなかった場合（ステップＳ１３でＮｏの場合）、切り替え制御は、ステップＳ１５に進む。既述のとおり、ステップＳ１１〜Ｓ１３のうちのいずれかのステップにおいて、条件を充足しない場合（Ｎｏの場合）、切り替え制御は、ステップＳ１５に進む。この場合、指令部６３は、駆動用電源の切り替えを行わない。つまり、指令部６３は、降圧型ＤＣ／ＤＣコンバータ５１から第二直流電力を出力させることを継続する（ステップＳ１５）。そして、切り替え制御は、一旦、終了する。なお、ステップＳ１１〜Ｓ１３の実行順序は、これに限定されない。例えば、切り替え制御は、ステップＳ１２の判断を最初に実行することもできる。
【００７７】
また、指令部６３は、燃料電池スタック２１ｃの発電状態が発電能力を超えていることが比較部６１によって判断されなくなったときには、降圧型ＡＣ／ＤＣコンバータ５２から第三直流電力を出力させることを中止して、降圧型ＤＣ／ＤＣコンバータ５１から第二直流電力を出力させることができる。具体的には、指令部６３は、図５に示す降圧型ＡＣ／ＤＣコンバータ５２のスイッチング素子５２ｇのゲート５２ｇ３にパルス信号を付与することを中止する。また、指令部６３は、降圧型ＡＣ／ＤＣコンバータ５２から第三直流電力が出力されている間に、図４に示す降圧型ＤＣ／ＤＣコンバータ５１のスイッチング素子５１ｇのゲート５１ｇ３にパルス信号を付与することを再開する。なお、説明の便宜上、このときの駆動用電源の切り替えを駆動用電源の逆切り替えという。
【００７８】
指令部６３は、降圧型ＤＣ／ＤＣコンバータ５１から第二直流電力を出力させても、燃料電池スタック２１ｃの発電状態が発電能力を超えないことが見込まれるときに、駆動用電源の逆切り替えを行う必要がある。例えば、燃料電池スタック２１ｃの発電出力（発電量）と、発電ユニット１の駆動用電源として必要な電力との関係を予め算出しておき、関係式、マップ、テーブル等により第二記憶装置６０ｂ２に記憶しておくと良い。これらの関係は、発電ユニット１の起動時に、第一記憶装置６０ｂ１に読み出される。指令部６３は、上述の関係に基づいて、駆動用電源の逆切り替えを行うことが可能か否かを判断することができる。
【００７９】
また、指令部６３は、燃料電池スタック２１ｃの発電状態が発電能力を超えていないことを比較部６１が一定時間継続して判断したときに、駆動用電源の逆切り替えを行うと好適である。以上により、指令部６３は、発電状態検出器７の検出結果に含まれるノイズによって、駆動用電源の逆切り替えが行われることを抑制することができる。また、指令部６３は、駆動用電源の切り替えおよび駆動用電源の逆切り替えが頻繁に繰り返されるハンチングを抑制することができる。
【００８０】
図９の曲線ＣＬ１は、燃料電池スタック２１ｃの発電状態が発電能力を超えているときに、駆動用電源の切り替えを行わなかった場合の燃料電池スタック２１ｃの発電出力（発電量）の経時変化の一例を示している。曲線ＣＬ２は、発電ユニット１の駆動用電源として必要な電力の経時変化の一例を示している。また、曲線ＣＬ３は、燃料電池スタック２１ｃの発電状態が発電能力を超えているときに、駆動用電源の切り替えを行った場合の燃料電池スタック２１ｃの発電出力（発電量）の経時変化の一例を示している。同図の縦軸は、電力を示し、横軸は、時刻を示している。電力ＰＷ１は、燃料電池スタック２１ｃの発電状態が発電能力を超えているか否かを判断する際の閾値であり、燃料電池スタック２１ｃの劣化が予想される発電出力（発電量）の下限値を示している。電力ＰＷ２は、発電ユニット１の駆動用電源として必要な電力の平均（平均電力）を示している。
【００８１】
時刻ｔ１において、燃料電池スタック２１ｃの発電出力（発電量）が電力ＰＷ１より大きくなったとする。つまり、時刻ｔ１において、燃料電池スタック２１ｃの発電状態が発電能力を超えたと仮定する。このとき、燃料電池スタック２１ｃの発電出力（発電量）は、増加傾向にあり、発電ユニット１の駆動用電源として必要な電力も増加傾向にある（曲線ＣＬ１，ＣＬ２参照）。そのため、駆動用電源の切り替えを行わなかった場合、燃料電池スタック２１ｃの発電出力（発電量）は、電力ＰＷ１より大きい状態が継続する（曲線ＣＬ１の時刻ｔ１〜時刻ｔ４までの時間）。
【００８２】
また、このとき、燃料電池スタック２１ｃの出力電圧は、燃料電池スタック２１ｃの発電出力（発電量）が定格出力のときと比べて、低下している。例えば、昇圧型ＤＣ／ＤＣコンバータ４１は、燃料電池スタック２１ｃの出力電圧が低下したときに、燃料電池スタック２１ｃの出力電圧が低下する前と同等の直流電力を出力しようとすると、スイッチング素子４１ｇの損失等が増加して、昇圧型ＤＣ／ＤＣコンバータ４１の効率が低下する。また、このとき、燃料電池スタック２１ｃの出力電流は、燃料電池スタック２１ｃの発電出力（発電量）が定格出力のときと比べて、増加している。燃料電池スタック２１ｃの出力電流（掃引電流）が増加すると、燃料電池スタック２１ｃは劣化し易くなる。
【００８３】
そこで、指令部６３は、降圧型ＤＣ／ＤＣコンバータ５１から第二直流電力を出力させることを中止して、降圧型ＡＣ／ＤＣコンバータ５２から第三直流電力を出力させる駆動用電源の切り替えを行う。なお、比較部６１は、燃料電池スタック２１ｃの発電状態が発電能力を超えていることを一定時間（例えば、時刻ｔ１〜時刻ｔ２までの時間）継続して判断したとする。また、系統電源３の交流電力は異常がなく、許可部６２は、系統電源３の交流電力が異常でないと判断したとする。
【００８４】
指令部６３は、時刻ｔ２において、上記の駆動用電源の切り替えを行う。これにより、発電ユニット１の駆動用電源として必要な電力は、降圧型ＡＣ／ＤＣコンバータ５２から出力される第三直流電力によって確保される。その結果、発電ユニット１は、燃料電池スタック２１ｃの発電出力（発電量）を低減することができ、燃料電池スタック２１ｃの発電出力（発電量）は、次第に低下している（曲線ＣＬ３参照）。具体的には、燃料電池スタック２１ｃの発電出力（発電量）は、時刻ｔ３において電力ＰＷ１まで低下し、時刻ｔ５に亘って低下し続けている。
【００８５】
時刻ｔ５において、降圧型ＤＣ／ＤＣコンバータ５１から第二直流電力を出力させても、燃料電池スタック２１ｃの発電状態が発電能力を超えないものとする。例えば、時刻ｔ５における燃料電池スタック２１ｃの発電出力（発電量）に電力ＰＷ２を加算しても、燃料電池スタック２１ｃの発電出力（発電量）は、電力ＰＷ１を超えないものとする。また、比較部６１は、燃料電池スタック２１ｃの発電状態が発電能力を超えていないことを一定時間（例えば、時刻ｔ３〜時刻ｔ５までの時間）継続して判断したとする。
【００８６】
指令部６３は、時刻ｔ５において、降圧型ＡＣ／ＤＣコンバータ５２から第三直流電力を出力させることを中止して、降圧型ＤＣ／ＤＣコンバータ５１から第二直流電力を出力させる駆動用電源の逆切り替えを行う。これにより、発電ユニット１の駆動用電源として必要な電力は、降圧型ＤＣ／ＤＣコンバータ５１から出力される第二直流電力によって確保される。また、時刻ｔ５以降、燃料電池スタック２１ｃの発電出力（発電量）は、一時的に増加するものの電力ＰＷ１を超えない。
【００８７】
本実施形態の発電ユニット１の制御装置６は、発電状態検出器７の検出結果に基づいて燃料電池スタック２１ｃの発電状態が発電能力を超えていると判断したときに、降圧型ＤＣ／ＤＣコンバータ５１から第二直流電力を出力させることを中止して降圧型ＡＣ／ＤＣコンバータ５２から第三直流電力を出力させる駆動用電源の切り替えを行う。本実施形態の発電ユニット１によれば、燃料電池スタック２１ｃの発電状態が発電能力を超えているときに、発電ユニット１は、降圧型ＡＣ／ＤＣコンバータ５２から出力される第三直流電力によって駆動用電源を確保する。そのため、発電ユニット１は、燃料電池スタック２１ｃの劣化の可能性が高いときに、自身の駆動用電源分、燃料電池スタック２１ｃの発電出力を低減させることができ、燃料電池スタック２１ｃの劣化を抑制することができる。このとき、発電ユニット１は、系統電源３の交流電力から生成される第三直流電力によって駆動用電源を確保するので、燃料電池スタック２１ｃ劣化時の代替用の燃料電池スタック、ＤＣ／ＤＣコンバータ等が不要であり、燃料電池スタック２１ｃの劣化に備えてシステム全体が大型化することを抑制することができる。つまり、本実施形態の発電ユニット１は、燃料電池スタック２１ｃの劣化の抑制と、システム全体の大型化の抑制との両立を図ることができる。
【００８８】
本実施形態の発電ユニット１の発電状態検出器７は、燃料電池スタック２１ｃの発電状態である燃料電池スタック２１ｃの出力電圧および出力電流のうちの少なくとも一方を検出する。また、制御装置６は、燃料電池スタック２１ｃの出力電圧が基準電圧より低いとき、および、燃料電池スタック２１ｃの出力電流が基準電流より大きいときのうちの少なくとも一方の条件を充足するときに、燃料電池スタック２１ｃの発電状態が発電能力を超えていると判断する。本実施形態の発電ユニット１によれば、発電状態検出器７は、燃料電池スタック２１ｃの発電状態を直接かつ正確に応答性良く検出することができる。よって、制御装置６は、燃料電池スタック２１ｃの発電状態が発電能力を超えているか否かの判断を、燃料電池スタック２１ｃの発電状態の変化に合わせて正確に行うことができる。したがって、制御装置６は、駆動用電源の切り替えを的確に行うことができる。
【００８９】
本実施形態の発電ユニット１の制御装置６は、燃料電池スタック２１ｃの発電状態が発電能力を超えていることを一定時間継続して判断したときに、駆動用電源の切り替えを行う。本実施形態の発電ユニット１によれば、制御装置６は、発電状態検出器７の検出結果に含まれるノイズによって、不要な駆動用電源の切り替えが行われることを抑制することができる。
【００９０】
本実施形態の発電ユニット１は、系統電源３の出力状態を検出する系統電源出力検出器８を備えている。また、制御装置６は、系統電源出力検出器８の検出結果に基づいて系統電源３の交流電力が異常でないと判断したときに、駆動用電源の切り替えを可能にする。本実施形態の発電ユニット１によれば、発電ユニット１は、燃料電池スタック２１ｃの発電状態が発電能力を超えているときに、駆動用電源を確実に確保しつつ、駆動用電源の切り替えを行うことができる。
【００９１】
＜その他＞
本発明は、上記し且つ図面に示した実施形態のみに限定されるものではなく、要旨を逸脱しない範囲内で適宜変更して実施することができる。
【符号の説明】
【００９２】
１：発電ユニット、
２：燃料電池発電装置、２１ｃ：燃料電池スタック、
３：系統電源、３１：負荷、
４：第一電力変換器、
４１：昇圧型ＤＣ／ＤＣコンバータ、４２：インバータ、
５：第二電力変換器、
５１：降圧型ＤＣ／ＤＣコンバータ、５２：降圧型ＡＣ／ＤＣコンバータ、
６：制御装置、
７：発電状態検出器、
８：系統電源出力検出器。
【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】
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【図８】
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【図９】
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