(57)【要約】【課題】分散型電源として使用される燃料電池システムの低コスト化及び省電力化を図る。【解決手段】燃料電池１１を備える発電器１は、発電制御部４により運転制御され、発電を行う。インバータ２は、発電器１から出力される直流電力を交流電力に変換する。インバータ２から出力された交流電力は、送電線６を介して家屋９に送電される。送電線６には、配電線８が接続し、配電線８には、電流センサ５が設けられている。逆潮流防止制御部３は、電流センサ５の計測値に基づいて逆潮流を検出し、該逆潮流を検出すると、当該逆潮流を阻止するための所定処理を実行する。センサ入力切替部１０は、電流センサ５と接続し、電流センサ５の計測値を逆潮流防止制御部３又は発電制御部４の何れか一方に所定条件の下で切り替えて送信する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池を用いて発電する発電器と、
該発電器から出力される直流電力を交流電力に変換するインバータと、
該インバータと需要地間の電線と商用電源との間を接続する接続線に設けられた電流センサと、
該電流センサの計測値に基づいて、前記インバータから前記商用電源へ電力が供給される逆潮流を検出し、該逆潮流を検出すると、当該逆潮流を阻止するための所定処理を実行する逆潮流防止制御部と、
前記発電器の運転を制御する発電制御部と、
前記電流センサと接続し、該電流センサの計測値を前記逆潮流防止制御部又は前記発電制御部の何れか一方に所定条件の下で切り替えて送信する切替部と、を備える、
ことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記切替部は、前記発電器の運転状態に従って、前記切り替えを行う、
ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記切替部は、前記電流センサの計測値を、前記発電器によって発電が行われているとき、前記逆潮流防止制御部に送信し、前記発電が行われていないとき、前記発電制御部に送信する、
ことを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記逆潮流防止制御部は、前記発電が行われていないとき、その動作を停止する、
ことを特徴とする請求項３に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記逆潮流防止制御部は、前記発電が行われているとき、前記インバータの出力電力値と、前記電流センサの計測値に基づいて算出した前記商用電源から供給される商用電力の値とを前記発電制御部に送信する、
ことを特徴とする請求項３に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記発電制御部は、前記逆潮流防止制御部から送信された前記インバータの出力電力値又は、該インバータの出力電力値と前記商用電力の値とに基づいて算出される前記需要地における消費電力値の少なくとも何れか一方を使用して、前記発電器の運転を制御するための指針となる発電計画を作成する、
ことを特徴とする請求項５に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記発電制御部は、前記発電が行われていないとき、前記切替部から送信された前記電流センサの計測値に基づいて算出される前記需要地における消費電力値を使用して、前記発電器の運転を制御するための指針となる発電計画を作成する、
ことを特徴とする請求項３に記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、分散型電源として使用する燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、天然ガス等から取り出した水素と、空気中の酸素とを化学反応させることで発電を行う燃料電池システムが分散型電源として注目され、一般家庭への普及が期待されている。
【０００３】
このような燃料電池システムによる発電系統は、電力会社等の商用電源系統と連系している。したがって、需要地（家庭内）の消費電力が、燃料電池システムの発電出力（例えば、最大１ｋＷ）を超えても、商用電源からの電力で補えるようになっている。
【０００４】
一方、燃料電池システムの発電出力が、需要地の消費電力を超えてしまうと、その余剰電力は、商用電源に逆潮流されてしまう。そこで、上記の如く家庭内の分散型電源として使用される燃料電池システムにおいては、従来より、逆潮流を監視し、これを防止する対策が講じられている（例えば、特許文献１）。
【０００５】
従来の燃料電池システムにおける一般的な逆潮流防止の手法について、以下、簡単に説明する。図５に示す燃料電池システムは、発電器１と、インバータ２と、逆潮流防止制御部３と、発電制御部４と、電流センサ５ａ，５ｂと、を備える。発電器１は、図示しない燃料電池を用いて直流電力を発生する。インバータ２は、発電器１から供給された直流電力を交流電力に変換して出力する。そして、インバータ２から出力された交流電力は、送電線６を介して家屋９に送電され、図示しない負荷機器によって消費される。また、送電線６には、電力会社等の商用電源７からの配電線８が接続している。
【０００６】
逆潮流防止制御部３は、配電線８に設けられた電流センサ５ａの計測値を監視することで、逆潮流の発生有無を検出する。そして、逆潮流の発生を検出すると、逆潮流を阻止するための制御（例えば、インバータ２の出力電力の低減等）を行う。発電制御部４は、先に作成した発電計画に従って発電器１の運転を制御する。発電制御部４は、発電時には、逆潮流防止制御部３から送信されるインバータ２の出力電力値と、家屋９における消費電力値とを使用して、発電計画を作成する。一方、非発電時には、配電線８に設けられた電流センサ５ｂの計測値に基づいて算出した消費電力値を使用して、発電計画を作成する。
【０００７】
図６は、他の例の燃料電池システムの構成を示す図である。図６に示すように、本例の燃料電池システムでは、配電線８に設ける電流センサは１つであり（電流センサ５ａのみ）、直接的には、発電制御部４にその計測値は入力されない。したがって、本例の発電制御部４は、非発電時においても、家屋９における消費電力値を逆潮流防止制御部３を介して受け取る必要がある。
【０００８】
以上のように、図６の燃料電池システムは、商用電源７から供給される電力の値を計測するための電流センサが１つで済むため、２つの電流センサを必要とする図５の燃料電池システムに比べ、低コスト化が図れる。一方、図５の燃料電池システムでは、発電器１の非発電時（即ち、燃料電池システムの待機時）において、逆潮流防止制御部３の動作を停止させることができ、常時動作を必要とする図６の燃料電池システムに比べ、待機時の省電力化が図れる。
【特許文献１】特開２００２−２８１６７２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
上記の２つの従来例では、それぞれの燃料電池システムが、他に比べ、メリット及びデメリットを有する。したがって、それぞれのメリットを有する新たな燃料電池システムの実現が望まれている。
【００１０】
本発明は、上記実状に鑑みてなされたものであり、低コスト化が図れると共に省電力化も図れる燃料電池システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明に係る燃料電池システムは、燃料電池を用いて発電する発電器と、該発電器から出力される直流電力を交流電力に変換するインバータと、該インバータと需要地間の電線と商用電源との間を接続する接続線に設けられた電流センサと、該電流センサの計測値に基づいて、前記インバータから前記商用電源へ電力が供給される逆潮流を検出し、該逆潮流を検出すると、当該逆潮流を阻止するための所定処理を実行する逆潮流防止制御部と、前記発電器の運転を制御する発電制御部と、前記電流センサと接続し、該電流センサの計測値を前記逆潮流防止制御部又は前記発電制御部の何れか一方に所定条件の下で切り替えて送信する切替部と、を備えることを特徴とする。
【００１２】
前記切替部は、前記発電器の運転状態に従って、前記切り替えを行うのが好ましい。
【００１３】
この場合、より詳細には、前記切替部は、前記電流センサの計測値を、前記発電器によって発電が行われているとき、前記逆潮流防止制御部に送信し、前記発電が行われていないとき、前記発電制御部に送信するのが好ましい。
【００１４】
また、好ましくは、前記逆潮流防止制御部は、前記発電が行われていないとき、その動作を停止する。
【００１５】
また、前記逆潮流防止制御部は、前記発電が行われているとき、前記インバータの出力電力値と、前記電流センサの計測値に基づいて算出した前記商用電源から供給される商用電力の値とを前記発電制御部に送信してもよい。
【００１６】
上記の場合、前記発電制御部は、前記逆潮流防止制御部から送信された前記インバータの出力電力値又は、該インバータの出力電力値と前記商用電力の値とに基づいて算出される前記需要地における消費電力値の少なくとも何れか一方を使用して、前記発電器の運転を制御するための指針となる発電計画を作成してもよい。
【００１７】
また、前記発電制御部は、前記発電が行われていないとき、前記切替部から送信された前記電流センサの計測値に基づいて算出される前記需要地における消費電力値を使用して、前記発電器の運転を制御するための指針となる発電計画を作成することができる。
【発明の効果】
【００１８】
以上の如く、本発明によれば、分散型電源として使用される燃料電池システムの低コスト化及び省電力化が図れる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、本発明に係る燃料電池システムの一実施形態について図面を参照して説明する。
【００２０】
図１は、本実施形態の燃料電池システムの全体構成を示す図である。本実施形態の燃料電池システムは、家庭用の分散型電源として使用され、また、発電の際に発生する排熱を給湯や暖房等に利用するコジェネレーションシステムに組み込まれている。この燃料電池システムは、発電器１と、インバータ２と、逆潮流防止制御部３と、発電制御部４と、電流センサ５と、センサ入力切替部１０と、を備える。
【００２１】
発電器１は、燃料電池１１と、燃料電池１１に供給する改質ガスを生成する改質装置１２とを備える。燃料電池１１は、例えば、固体高分子型の燃料電池であり、一般的には、燃料電池スタック（ＦＣスタック）と呼ばれる。燃料電池１１は、複数のセルを積み重ねた構成を有し、一つのセルは、何れも図示しないが、燃料極（アノード）と空気極（カソード）とからなる一対の電極と、この電極間に介在する高分子膜とをセパレータで挟み込んだ構成を有する。燃料電池１１は、改質装置１２からアノードに供給される燃料ガス（改質ガス）と図示しない空気供給源からカソードに供給される酸化剤ガス（空気）を使用して発電を行う。
【００２２】
改質装置１２は、図示しない原燃料ガス供給源から供給される天然ガス等の原燃料ガスを水蒸気改質して、水素リッチな改質ガスを生成する。そして、改質ガス中の一酸化炭素濃度を低減させた後（約１０ｐｐｍ以下）、燃料電池１１に供給する。
【００２３】
発電器１から出力された直流電力は、インバータ２によって交流電力に変換され、送電線６を介して家屋９（需要地）に送電される。送電された交流電力は、家屋９に設置される各種の負荷機器９０（例えば、電灯、冷蔵庫、テレビ等）に供給され、消費される。また、送電線６には、電力会社等の商用電源７が配電線８（接続線）を介して接続している。したがって、家屋９内の負荷機器の総電力消費量が、インバータ２から出力される電力（例えば、最大１ｋＷ）を超えても、商用電源７からの電力（商用電力）で補えるようになっている。
【００２４】
逆潮流防止制御部３は、発電器１の運転時（即ち、発電時）において、配電線８に設けられた電流センサ５の計測値（詳細には、電流センサ５の計測値に基づいて算出される商用電力の値（商用電力値））を監視することで、逆潮流の発生有無を検出する。そして、逆潮流を検出すると、それを阻止するための所定処理（逆潮流対応処理）を実行する。逆潮流防止制御部３は、機能的には、図２に示すように、データ取得部３０と、実績データ送信部３１と、判定部３２と、逆潮流対応部３３と、から構成される。
【００２５】
データ取得部３０は、電流センサ５の計測値をセンサ入力切替部１０を介して取得する。ここで、電流センサ５は、例えば、クランプ式の交流電流センサである。データ取得部３０は、電流センサ５の計測値と、インバータ２からの供給電圧（系統電圧）とに基づいて、商用電力値を算出する。実績データ送信部３１は、データ取得部３０が算出した商用電力値と、インバータ２の出力電力値とを実績データとして発電制御部４に送信する。
【００２６】
判定部３２は、データ取得部３０が算出した商用電力値に基づいて、逆潮流が発生しているか否かを判定する。具体的には、所定値（例えば、５０Ｗ）以上の電力が配電線８に供給された場合、逆潮流が発生していると判定する。
【００２７】
逆潮流対応部３３は、発生した逆潮流を阻止するための処理（逆潮流対応処理）を実行する。具体的には、逆潮流対応部３３は、図示しない補助加熱装置に余剰電力を供給するための制御を行う。補助加熱装置は、発電の際の排熱が不足する場合等、その不足分を補うために補助的に使用される加熱装置である。また、逆潮流対応部３３は、発電制御部４、インバータ２に対して、出力電力を低減させるための指示データを送信する。
【００２８】
以上のようにして、逆潮流防止制御部３は、逆潮流の発生有無を検出する処理（逆潮流検出処理）と、逆潮流検出時における対応処理（逆潮流対応処理）と、からなる逆潮流防止処理を行う。当然のことながら、逆潮流防止制御部３のかかる逆潮流防止処理は、発電器１の運転時（発電時）のみ行えばよいため、非発電時（待機時）においては、逆潮流防止制御部３は、その動作を停止する。
【００２９】
発電制御部４は、予め作成した発電計画に従って、発電器１の運転制御を行う。発電制御部４は、発電実績（即ち、出力電力値）や需要実績（家屋９における消費電力値）等を用いて発電計画を作成する。需要実績は、出力電力値と商用電力値とを合算することで求められる。
【００３０】
発電制御部４は、発電時においては、上述したように、出力電力値と商用電力値とを実績データとして、逆潮流防止制御部３から受け取る。一方、非発電時（待機時）においては、センサ入力切替部１０を介して入力される電流センサ５の計測値に基づいて、消費電力値（この場合は、商用電力値と等しい）を算出し、これを使用して、発電計画を作成する。
【００３１】
また、発電制御部４は、逆潮流が検出され、逆潮流防止制御部３から出力電力の低減指示を受けると、出力電力が消費電力を超えないようにするべく発電器１を制御する。例えば、発電制御部４は、発電器１に供給する原燃料ガスや空気の量などを調整する。
【００３２】
センサ入力切替部１０は、例えば、機械式リレーで構成される。センサ入力切替部１０は、電流センサ５と、逆潮流防止制御部３と、発電制御部４と、に接続する。センサ入力切替部１０の信号送出方向は、発電時／待機時で切り替わる。具体的には、センサ入力切替部１０は、発電時においては、入力した電流センサ５の計測値（を示す信号）を逆潮流防止制御部３に送出し、待機時においては、発電制御部４に送出する。
【００３３】
続いて、逆潮流防止制御部３による逆潮流防止処理の手順を図３のフローチャートに沿って説明する。逆潮流防止処理は、発電器１による発電が開始されると起動し、以降、発電が停止されるまで、以下の処理を繰り返し行う。
【００３４】
先ず、データ取得部３０は、センサ入力切替部１０から電流センサ５の計測値を取得する（ステップＳ１０１）。また、データ取得部３０は、インバータ２にて測定した系統電圧と、取得した電流センサ５の計測値とに基づいて、商用電力値を算出する（ステップＳ１０２）。
【００３５】
判定部３２は、算出した商用電力値に基づいて、逆潮流が発生しているか否かを判定する（ステップＳ１０３）。判定部３２は、例えば、５０Ｗ以上の電力が配電線８に供給された場合、逆潮流が発生していると判定する。その結果、逆潮流が発生していると判定された場合（ステップＳ１０３でＹＥＳ）、逆潮流対応部３３は、上述した逆潮流対応処理を実行する（ステップＳ１０４）。一方、逆潮流が発生していないと判定された場合（ステップＳ１０３でＮＯ）は、ステップＳ１０５の処理に移行する。
【００３６】
実績データ送信部３１は、データ取得部３０が算出した商用電力値と、インバータ２の出力電力値とを実績データとして発電制御部４に送信する（ステップＳ１０５）。かかる実績データは、発電制御部４にて発電計画を作成する際に使用される。
【００３７】
以上の処理は、発電が停止されるまで（ステップＳ１０６でＹＥＳ）、繰り返し行われる。
【００３８】
以上説明したように、本実施形態の燃料電池システムでは、逆潮流を検出するための電流センサ（電流センサ５）の設置個数は、１つだけである。また、センサ入力切替部１０は、機械式リレー等、非常に安価な部品等で構成され得る。したがって、本実施形態の燃料電池システムは、２つの電流センサを必要とする従来の燃料電池システム（図５参照）に比べ、低コスト化が図れる。
【００３９】
さらに、非発電時（待機時）においては、逆潮流防止制御部３の動作を停止させることができるため、常時動作を必要とする従来の燃料電池システム（図６参照）に比べ、待機時の省電力化が図れる。
【００４０】
なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。
【００４１】
例えば、上記実施形態では、電流センサ５は、配電線８に設けられているが、例えば、図４に示すように送電線６の連系点Ｐ以降の下流側に設置されてもよい。この場合、逆潮流防止制御部３は、電流センサ５の計測値に基づいて算出した消費電力値と、インバータ２の出力電力値とを比較することで、逆潮流の発生有無を検出する。
【００４２】
また、上記実施形態では、逆潮流の発生時、図示しない補助加熱装置に余剰電力が供給されるが、余剰電力を供給する負荷機器は、補助加熱装置に限定されず、コジェネレーションシステムが備える様々な負荷機器に供給可能である。
【００４３】
また、上記実施形態で説明したフローチャートにおける各処理は、その順序に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において任意に順序を変更することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本発明の一実施形態に係る燃料電池システムの全体構成を示す図である。
【図２】図１の逆潮流防止制御部の機能的な構成を示す図である。
【図３】逆潮流防止処理の手順を示すフローチャートである。
【図４】他の実施形態に係る燃料電池システムの全体構成を示す図である。
【図５】従来の燃料電池システムの全体構成（電流センサが２つ）を示す図である。
【図６】従来の燃料電池システムの全体構成（電流センサが１つ）を示す図である。
【符号の説明】
【００４５】
１    発電器
２    インバータ
３    逆潮流防止制御部
４    発電制御部
５    電流センサ
６    送電線（電線）
８    配電線（接続線）
９    家屋（需要地）
１０  センサ入力切替部（切替部）
１１  燃料電池
【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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