燃料電池発電システム
【課題】系統停電時に自立発電運転を行っている燃料電池を劣化させることなく安全に停止させることができる燃料電池発電システムを提供する。
【解決手段】燃料電池本体１で発電された電力を系統２０に連系させる系統連系リレー３３を備え、系統停電時には系統連系リレー３３を開放して燃料電池の自立発電運転を行う燃料電池発電システムにおいて、自立発電運転停止処理用の電源として蓄電池３８を設ける。そして、自立発電運転中に自立発電運転の停止要求があったときには、蓄電池３８に蓄電された電力を用いて燃料電池を停止させるための発電運転停止処理を行わせる。
【解決手段】燃料電池本体１で発電された電力を系統２０に連系させる系統連系リレー３３を備え、系統停電時には系統連系リレー３３を開放して燃料電池の自立発電運転を行う燃料電池発電システムにおいて、自立発電運転停止処理用の電源として蓄電池３８を設ける。そして、自立発電運転中に自立発電運転の停止要求があったときには、蓄電池３８に蓄電された電力を用いて燃料電池を停止させるための発電運転停止処理を行わせる。
【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、系統停電中に自立発電運転を行う燃料電池発電システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
家庭用のコージェネレーションシステムなどに使用される燃料電池発電システムは、燃料電池を備えた燃料電池ユニットＡと、燃料電池の排熱を回収する貯湯タンクを備えた排熱回収ユニットＢとを備えている（たとえば、特許文献１参照）。
【０００３】
図５は、このような燃料電池発電システムの一例を示している。この図５に示す燃料電池発電システムは、燃料電池ユニットＡと、排熱回収ユニットＢとを別ユニットで構成している。
【０００４】
上記燃料電池ユニットＡは、直流電力を発電する燃料電池本体（燃料電池）１と、この燃料電池本体１の付属機器で構成される補機本体２とを主要部として備えている。燃料電池本体１は、天然ガス、石油などの炭化水素系の燃料を水蒸気改質することによって得られる水素ガス（燃料ガス）と空気（酸素）とを用いて直流電力を発電する周知の構成の発電装置であって、この燃料電池本体１には、たとえば、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）や固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）などが用いられている。
【０００５】
補機本体２は、燃料電池本体１の起動や制御などに用いる周辺機器で構成されており、燃料電池本体１で発電された直流電力を商用電源などの系統２０に連系させるためのパワーコンディショナ３と、燃料電池本体１や燃料電池ユニット内の図示しない各種アクチュエータ（たとえば、排熱回収ユニットＢの貯湯タンク内の湯水を燃料電池ユニットＡ内の熱交換器（図示せず）に強制循環させるための循環ポンプ）などの制御を行うマイコン（ＦＣ制御部）を備えたＦＣ制御基板４とが含まれている。なお、ここで「ＦＣ」とは、「燃料電池（Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ）」の略称である。
【０００６】
上記排熱回収ユニットＢは、燃料電池ユニットＡに設けられた熱交換器で加熱昇温された温水を貯湯する貯湯タンク５と、貯湯タンク５内の湯水をさらに加熱昇温させる際に使用する補助熱源機６と、補助熱源機６や排熱回収ユニット内に設けられる図示しない各種アクチュエータ（たとえば、熱交換器から供給される温水を貯湯タンク５をバイパスして熱交換器に戻す流路を形成させる流路切替弁や、熱交換器に供給する湯水を冷却する冷却装置）などの制御を行うマイコン（ＥＨＵ制御部）を備えたＥＨＵ制御基板７とを主要部として備えている。なお、ここで「ＥＨＵ」とは、「排熱回収ユニット（Ｅｘｈａｕｓｔ Ｈｅａｔ Ｕｎｉｔ）」の略称である。
【０００７】
燃料電池ユニットＡと排熱回収ユニットＢとの間には、貯湯タンク５内の低温の湯水を燃料電池ユニットＡの熱交換器に供給するための排熱低温配管８と、熱交換器で加熱昇温された高温の温水を排熱回収ユニットＢの貯湯タンク５に供給するための排熱高温配管９とが配設される。また、ＥＨＵ制御基板７のマイコンとＦＣ制御基板４のマイコンは、相互に通信できるようにユニット間通信線１０によって通信接続されている。また、上記ＥＨＵ制御基板７には、これら燃料電池ユニットＡや排熱回収ユニットＢを屋内の台所や浴室から遠隔操作したり、台所や浴室においてこれら燃料電池ユニットＡや排熱回収ユニットＢの状況（たとえば、発電状況や貯湯タンク５の状況など）を表示・監視するためのリモコン１１（台所リモコン１１ａや浴室リモコン１１ｂなど）がリモコン通信線１２を介して通信接続されている。
【０００８】
そして、パワーコンディショナ３は、図６に示すように、燃料電池本体１から供給される直流電力を昇圧するＤＣ−ＤＣコンバータ３１と、ＤＣ−ＤＣコンバータ３１で昇圧された直流電力を交流電力に変換するＤＣ−ＡＣインバータ３２とを備えており、ＤＣ−ＡＣインバータ３２で生成された交流電力（ＡＣ２００Ｖ）が系統連系リレー（開閉器）３３を備えた電源線１３を介して屋内の配電盤２１に供給され、配電盤２１を介して系統２０と連系できるようになっている。また、このＤＣ−ＡＣインバータ３２は、ＦＣ制御基板４に供給する交流電力（ＡＣ１００Ｖ）も生成するようになっており、当該交流電力（ＡＣ１００Ｖ）が補機用交流電源線１４を介してＦＣ制御基板４に供給されるようになっている。さらに、このパワーコンディショナ３には、ＦＣ制御基板４に供給する直流電力（図示例では、ＤＣ２４Ｖ）を生成するＤＣ−ＤＣコンバータ３４も備えられており、このＤＣ−ＤＣコンバータ３４で生成された直流電力（ＤＣ２４Ｖ）が補機用直流電源線１５を介してＦＣ制御基板４に供給されるようになっている。
【０００９】
しかして、このように構成されてなる燃料電池発電システムでは、パワーコンディショナ３は、燃料電池本体１が発電をしているときには、発電された直流電力を補機用の電源（ＡＣ１００ＶとＤＣ２４Ｖ）に変換して補機類（燃料電池本体１の起動・運転・停止に必要な周辺機器）に供給する一方、燃料電池本体１が発電を行っていないときには、電源線１３を介して系統２０から供給される電力を補機用の電源に変換して（上記ＤＣ−ＡＣインバータ３２を逆動作させてＡＣ−ＤＣコンバータとして用いて）補機類に供給するようになっている。
【００１０】
一方、排熱回収ユニットＢは、配電盤２１からの交流電力（ＡＣ１００Ｖ）が交流電源線１６を介してＥＨＵ制御基板７に供給されるようになっており、この交流電力（ＡＣ１００Ｖ）が補助熱源機用電源線１７を介して補助熱源機６にも供給されている。つまり、排熱回収ユニットＢは、補助熱源機６およびＥＨＵ制御基板７のそれぞれに、配電盤２１から供給される交流電力から所望の直流電力（たとえば、各種電磁弁やリモコン１１などに供給するＤＣ１５Ｖなど）を生成する電源回路（整流回路やスイッチング電源など）が備えられており、系統２０から供給される電力によって動作するようになっている。
【００１１】
ところで、このような構成の燃料電池発電システムでは、系統２０が停電した場合には、燃料電池本体１で発電した電力を系統側に供給（売電）することができない（禁止されている）ことから、燃料電池本体１が発電運転中に系統２０が停電したような場合には、燃料電池ユニットＡを系統２０から解列して自立発電運転を行わせたいが、上述した構成では、排熱回収ユニットＢは系統２０から電力供給を受けるようになっているため、系統２０の停電中に排熱回収ユニットＢを使用することができない。
【００１２】
そのため、最近では、系統停電時の自立発電運転で発電された電力を排熱回収ユニットＢに供給し、系統停電時においても排熱回収ユニットＢが動作できるようにした燃料電池発電システムも提案されている（たとえば、特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】特開２００９−１５１９７８号公報の図１
【特許文献２】特開２００９−２４３３５３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
しかしながら、上記いずれの構成の燃料電池発電システムにおいても、系統停電時における補機類への電力供給は、自立発電運転によって発電された電力を利用するものであることから、この状態で上記ＦＣ制御部に対して自立発電運転の停止要求があり、燃料電池本体１での発電を停止させてしまうと、補機類に対する電力供給も停止することになり、燃料電池本体１が高温状態のままとなって劣化を早めるおそれがある。
【００１５】
すなわち、発電運転中の燃料電池本体１は高温（たとえば、７００℃程度）になっていることから、発電中の燃料電池の運転停止は、燃料電池本体１の温度を徐々に下げながら行う必要がある。通常、この種の燃料電池において発電運転を停止する場合、（１）発電電力を最低出力まで低下させる、（２）燃料電池の補機である空気ブロワや、水、空気、ガスの各供給経路の電磁弁や、排熱回収ポンプを一斉に停止させる、（３）一定時間（たとえば、十数時間程度）が経過するまで燃料電池本体１の温度低下を監視する、（４）燃料電池本体１の温度が所定温度（たとえば、２００℃）未満になることを条件に空気ブロワを動作させて残留ガスを排出する、といった一連の処理（発電運転停止処理）手順を経るところ、これらの処理を行うには燃料電池の補機類が動作していることが条件となるため、これらの処理が完了する前に補機類への電力供給が停止すると、燃料電池本体１が高温のまま放置されることになって燃料電池のスタックの劣化を招くことになる。
【００１６】
また、この他、補機類に対する電力供給が停止してしまうと、一度停止させた燃料電池本体１を再起動することができなくなるという問題もある。
【００１７】
本発明は、このような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、系統停電時に自立発電運転を行っている燃料電池を劣化させることなく安全に停止させることができる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】
【００１８】
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、燃料電池で発電された電力を系統に連系させる開閉器を備え、系統停電時には上記開閉器を開放して燃料電池を系統から解列させた状態で、燃料電池の自立発電運転を行えるように構成された燃料電池発電システムにおいて、上記燃料電池の自立発電運転停止処理用の電源となる蓄電池を備えてなり、上記燃料電池の制御部は、上記自立発電運転の停止要求があったときに、上記蓄電池に蓄電された電力を用いて燃料電池の発電運転停止処理を実行させることを特徴とする。
【００１９】
すなわち、この燃料電池発電システムでは、燃料電池の自立発電運転停止処理用に蓄電池を備えている。そして、自立発電運転の停止要求があったときは、上記蓄電池に蓄電された電力を用いて燃料電池の発電運転停止処理が行われるので、発電運転を停止させても系統が停電していないときと同じ手順で発電運転を停止させることができ、燃料電池が高温のまま停止することによる劣化を回避することができる。
【００２０】
また、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、上記燃料電池の制御部は、上記蓄電池の蓄電量を検出する蓄電量検出手段を備えてなり、上記自立発電運転の停止要求があったときは、この蓄電量検出手段で検出される蓄電量に応じて上記発電運転停止処理の内容を選択することを特徴する。
【００２１】
すなわち、この請求項２に係る燃料電池発電システムでは、燃料電池の制御部が蓄電池の蓄電量に応じて発電運転停止処理の内容を選択するので、あらかじめ燃料電池の制御部に、蓄電池の蓄電量に応じて複数通りの発電運転停止処理を記憶させておくことにより、蓄電量に応じて最適の発電運転停止処理（たとえば、処理の各工程の時間を短縮したり、一部の工程を省略したりすることなど）ができ、自立発電運転の停止に伴う燃料電池の劣化を最小限に抑えることができる。
【００２２】
また、本発明の請求項３に記載の燃料電池発電システムは、請求項２に記載の燃料電池発電システムにおいて、上記燃料電池の制御部は、前記蓄電量検出手段で検出される蓄電量が所定値以上である場合、自立発電運転停止後に燃料電池の再起動要求があったときには、上記蓄電池に蓄電された電力を用いて燃料電池の再起動処理を実行させることを特徴とする。
【００２３】
すなわち、この請求項３に係る燃料電池発電システムでは、上記蓄電池の蓄電量が燃料電池の再起動を行うに足りるだけある（所定値以上の）場合には、燃料電池の制御部は、燃料電池の再起動要求に応じて蓄電池の電力を用いて燃料電池を再起動させる。したがって、この請求項３に係る燃料電池発電システムによれば、系統停電中であっても燃料電池を再起動させることができる。
【００２４】
また、本発明の請求項４に記載の燃料電池発電システムは、請求項１から３のいずれかに記載の燃料電池発電システムにおいて、上記蓄電池は、上記系統または上記燃料電池から供給される電力を上記燃料電池の制御部ならびに燃料電池の補機類に供給する電源供給ラインにスイッチ手段を介して並列に接続されており、このスイッチ手段を開放することで上記蓄電池からの電力が上記燃料電池の制御部ならびに燃料電池の補機類に供給されるように構成されていることを特徴とする。
【００２５】
すなわち、この請求項４に係る燃料電池システムでは、蓄電池は系統または燃料電池から燃料電池の制御部ならびに燃料電池の補機類に電力を供給する電源ラインに蓄電池が接続されているので、蓄電池は系統または燃料電池からの出力電力によって充電される。そして、系統が停電し、かつ、燃料電池が発電しないときには、スイッチ手段の開放によって蓄電池に蓄電された電力が燃料電池の制御部ならびに燃料電池の補機類に供給される。
【発明の効果】
【００２６】
本発明によれば、系統停電によって燃料電池が自立発電運転を行っているときに、自立発電運転の停止要求があったときには、蓄電池に蓄電された電力を用いて燃料電池の発電運転停止処理を実行するので、系統が停電していないときと同じ手順で発電運転を停止させることができ、高温のまま燃料電池が停止することによる燃料電池の劣化を回避することができる。
【００２７】
また、蓄電池の蓄電量が燃料電池の再起動を行うに足りる電力を有する場合には、燃料電池の再起動要求に応じて蓄電池の電力を用いて燃料電池が再起動されるので、系統停電中であっても燃料電池を再起動することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明に係る燃料電池発電システムの一例を示す概略構成図である。
【図２】同燃料電池発電システムにおけるスイッチ手段の動作手順を示すフローチャートである。
【図３】同燃料電池発電システムの他の実施形態の一例を示す概略構成図である。
【図４】同燃料電池発電システムにおける自立発電運転時の電力制御手順を示すフローチャートである。
【図５】従来の燃料電池発電システムを適用した家庭用のコージェネレーションシステムの一例を示す概略構成図である。
【図６】従来の燃料電池発電システムにおけるパワーコンディショナの概略構成を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。
実施形態１
図１は、本発明に係る燃料電池発電システムの概略構成を示している。この図１に示す燃料電池発電システムは、図５に示した従来の燃料電池発電システムと同様に、家庭用のコージェネレーションシステムに適用した燃料電池システムを示している。したがって、従来の燃料電池システムと構成が共通する部分には同一の符号を付して説明を省略する。
【００３０】
この燃料電池発電システムは、従来の燃料電池発電システムおける排熱回収ユニットＢへの電力供給方法を改変するとともに、系統２０の停電時に行う自立発電運転における発電運転停止処理用の電源を備えたことを主たる特徴としている。
【００３１】
図１に示すように、この燃料電池発電システムは、燃料電池ユニットＡと、排熱回収ユニットＢを主要部として備えている。図示例では、便宜上、パワーコンディショナ３を燃料電池ユニットＡとは別体に示しているが、パワーコンディショナ３は燃料電池ユニットＡ内に内蔵されている。
【００３２】
燃料電池ユニットＡは、スタックなどの燃料電池本体１と、パワーコンディショナ３と、燃料電池の制御部（ＦＣ制御部）を構成するマイコン５０や燃料電池の補機類５１の駆動回路などが実装されたＦＣ制御基板４とを主要部として構成されている。
【００３３】
ここで、パワーコンディショナ３は、燃料電池本体１で発電された直流電力（ＤＣ８０〜１６０Ｖ）を昇圧するＤＣ−ＤＣコンバータ３１とＦＣ制御基板４に供給する直流電力（ＤＣ２４Ｖ)を生成するＤＣ−ＤＣコンバータ３４とを備えた電源基板３５と、電源基板３５でＤＣ２２０Ｖ程度に昇圧された直流電力を系統２０に連系可能な交流電力（単相ＡＣ２００Ｖ）に変換するＤＣ−ＡＣインバータ３２を備えた電源基板３６と、電源基板３６で変換された交流電力を系統２０に連系させるための系統連系リレー（開閉器）３３とを備えている（図６参照）。
【００３４】
そして、本実施形態の燃料電池発電システムでは、これらの構成に加えて、パワーコンディショナ３の電源基板３５に、排熱回収ユニットＢに供給する直流電力（ＤＣ１５Ｖ）を生成するＤＣ−ＤＣコンバータ（図示せず）が備えられており、このＤＣ−ＤＣコンバータで生成されたＤＣ１５Ｖの直流電力が排熱回収ユニットＢに供給されるようになっている。
【００３５】
また、このパワーコンディショナ３には、自立発電運転停止処理用の電源を構成する電源回路３７が備えられている。この電源回路３７は、蓄電池３８と、蓄電池３８への充電を制御する充電回路３９と、ＦＣ制御基板４と電源基板３５との電気的な接続を解除して、蓄電池３８に充電された電力をＦＣ制御基板４に供給させるスイッチとなる電源切替リレー（スイッチ手段）４０とを主要部として備えている。
【００３６】
蓄電池３８は、直流電力（ＤＣ２４Ｖ）を蓄電する充電式の電池で構成されており、この蓄電池３８の正極および負極の各端子が電源基板３５とＦＣ制御基板４を接続する補機用直流電源線（電源供給ライン）１５，１５に並列に接続されている。より詳細には、蓄電池３８の負極（−極）が電源切替リレー４０を介して電源基板３５の負極と接続されるとともに、蓄電池３８の正極（＋極）が逆流防止用のダイオード４１を介して電源基板３５の正極と接続される。また、充電回路３９は、一端が電源基板３５の正極と接続されるとともに、他端が逆流防止用のダイオード４２を介して蓄電池３８の正極に接続されている。
【００３７】
すなわち、この蓄電池３８は、上記電源切替リレー４０を短絡（閉成）させることによって、電源基板３５からＦＣ制御基板４に供給される直流電力により充電されるようになっており、電源切替リレー４０を開放（開成）することによって、蓄電池３８に充電された直流電力がＦＣ制御基板４（マイコン５０や補機類５１）に供給されるようになっている。なお、充電回路３９には、蓄電池３８の蓄電量（充電量）を検出する蓄電量検出手段（図示せず）が備えられており、この蓄電量検出手段で検出される蓄電量に基づいて充電回路３９が蓄電池３８への充電の開始／停止を制御するようになっている。また、この蓄電量検出手段で検出される蓄電池３８の蓄電量に関する情報はマイコン５０にも与えられ、後述するマイコン５０による制御に利用される。
【００３８】
ＦＣ制御部を構成するマイコン５０は、燃料電池ユニットＡの各部に設けられる図示しないセンサ類から与えられる情報や、排熱回収ユニットＢのＥＨＵ制御部との通信（リモコン１１との通信を含む）によって得られる情報などに基づいて、燃料電池ユニットＡの各部を制御する制御装置であって、このマイコン５０には、燃料電池ユニットＡを制御するための各種制御プログラムや制御データが記憶されている（詳細は後述する）。
【００３９】
上記排熱回収ユニットＢは、貯湯タンク５、補助熱源機６、ＥＨＵ制御基板７を主要部として備えている。そして、本実施形態に示す排熱回収ユニットＢでは、補助熱源機６を始めとする排熱回収ユニットＢの各部（たとえば、貯湯タンク５の流路切替弁や冷却装置のファンなど）やＥＨＵ制御基板７に接続されるリモコン１１は、パワーコンディショナ３の電源基板３５から供給される直流電力（ＤＣ１５Ｖ）に基づいて動作するように構成されている。
【００４０】
なお、このリモコン１１は、従来の燃料電池発電システムと同様に排熱回収ユニットＢに備えさせることができるほか、図１の一点鎖線で示すように、燃料電池ユニットＡのＦＣ制御基板４（具体的には、マイコン５０）側に接続されるように構成することも可能である。その場合、リモコン１１はＦＣ制御基板４から電力供給を受けるように構成しておくことで、後述する自立発電運転の停止後においてもＦＣ制御基板４（蓄電池３８）から電力供給を受けて操作可能な状態を維持することができる。
【００４１】
次に、このように構成された燃料電池発電システムの動作について説明する。
この燃料電池発電システムでは、系統２０が停電しておらず、かつ、燃料電池本体１が発電運転を行っている場合、燃料電池本体１で発電された電力はパワーコンディショナ３を介して系統２０に連系される（系統連系リレー３３は短絡させる）とともに、発電された電力がパワーコンディショナ３（電源基板３５）を介して燃料電池ユニットＡのＦＣ制御基板４および排熱回収ユニットＢに供給される。このとき、マイコン５０は、上記電源切替リレー４０を短絡させて蓄電池３８を充電可能な状態にし、蓄電池３８からＦＣ制御部４への電力供給を遮断させている。
【００４２】
これに対して、燃料電池本体１が発電運転を行っていない場合（発電停止中の場合）は、燃料電池ユニットＡのＦＣ制御基板４および排熱回収ユニットＢには燃料電池本体１から電力を供給することができないので、この場合は、これらに対して系統２０側から電力を供給する。すなわち、この場合、電源基板３６のＤＣ−ＡＣインバータ３２を逆動作させて直流電力を生成し、この直流電力から電源基板３５がＤＣ２４ＶとＤＣ１５Ｖを生成して、ＦＣ制御基板４および排熱回収ユニットＢに供給する。なお、このときもマイコン５０は、上記電源切替リレー４０を短絡させて蓄電池３８を充電可能な状態にしている。
【００４３】
そして、燃料電池本体１が発電運転中に系統２０が停電した場合、マイコン５０は、系統連系リレー３３を開放して燃料電池本体１を系統２０から解列するとともに、その状態で燃料電池本体１による発電運転を継続し、燃料電池に自立発電運転を行わせる。この自立発電運転中は、上述した通常の発電運転の場合と同様に、燃料電池本体１で発電された電力がパワーコンディショナ３の電源基板３５を介して燃料電池ユニットＡのＦＣ制御基板４および排熱回収ユニットＢに供給される。また、このとき、上記電源切替リレー４０は短絡状態とされ、蓄電池３８からＦＣ制御部４への電力供給は遮断されたままとされる。
【００４４】
そして、この自立発電運転中に燃料電池の制御部に自立発電運転の停止要求があったとき（たとえば、リモコン１１で自立発電運転の停止操作がなされたり、あるいは、マイコン５０が燃料電池本体１などの異常を検出して停止要求を発した場合など）には、マイコン５０は、上記電源切替リレー４０を開放し、蓄電池３８に蓄電された電力を用いて、あらかじめマイコン５０に記憶された手順にしたがって発電運転停止処理を行う。
【００４５】
すなわち、マイコン５０は、自立発電運転の停止要求があった場合、図２に示すように、系統２０が停電しており（図２ステップＳ１でＹｅｓ)、かつ、自立発電運転の停止要求によって発電を停止させることを条件（図２ステップＳ２でＹｅｓ)に、電源切替リレー４０を開放するようになっている（図２ステップＳ３参照）。なお、その他の場合は、上述したとおり、電源切替リレー４０は短絡状態とされる（図２ステップＳ４参照）。
【００４６】
ここで、マイコン５０が実施する発電運転停止処理の内容は、一つの処理内容として特定しておくこともできるが、本実施形態では、上記蓄電量検出手段で検出される蓄電池３８の蓄電量に応じてマイコン５０が処理の内容を選択するようになっている。
【００４７】
すなわち、マイコン５０には、発電運転停止処理の手順としてあらかじめ複数通りの手順が記憶されており、マイコン５０は蓄電池３８の蓄電量に応じて（蓄電量で実施可能な範囲で）最適な手順を選択するように構成されている。具体的には、発電運転停止処理の手順は、通常の手順（系統２０が停電していない状態で燃料電池本体１を停止させるときの手順）に従えば、（１）燃料電池本体１の発電電力を最低出力まで低下させる、（２）燃料電池の補機である空気ブロワや、水、空気、ガスの各供給経路の電磁弁や、排熱回収ポンプを一斉に停止させる、（３）一定時間（たとえば、十数時間程度）が経過するまで燃料電池本体１の温度低下を監視する、（４）燃料電池本体１の温度が所定温度（たとえば、２００℃）未満になることを条件に空気ブロワを動作させて残留ガスを排出する、といった一連の手順の各工程を一定時間ずつ実施するようにプログラムされているが、これらすべての工程を通常の手順で行うには蓄電池３８の蓄電量が不足する場合がある。本実施形態では、このような蓄電量に不足がある場合を想定して、マイコン５０には、上述した通常の手順に加えて、処理の各工程の時間を短縮したり、あるいは、一部の工程を省略したり、さらには、一部の部品への電力供給を遮断する手順を含めるなどの数通りの発電運転停止処理手順が記憶されており、マイコン５０はこれらのうちから蓄電池３８の蓄電量で実施可能な処理手順（たとえば、時間短縮や省略された工程の少ない処理手順）を選択するように構成されている。
【００４８】
なお、この発電運転停止処理手順の一例としては、たとえば、空気ブロワによる残留ガスの排出開始温度を高めに設定した処理手順や、空気ブロワによる残留ガスの排出時間を短縮した処理手順、リモコン１１が燃料電池ユニットＡ側に設けられている場合には、リモコン１１への通電を遮断する手順を含んだ処理手順、さらには、これらを組み合わせた手順などが採用できるが、その具体的な内容は適宜設定可能である。
【００４９】
また、本実施形態の燃料電池発電システムでは、このような構成に加えて、マイコン５０は、蓄電量検出手段で検出される蓄電池３８の蓄電量が所定値以上である場合、つまり、上述した発電運転停止処理実行後においても燃料電池本体１を起動するに十分な電力が蓄電池３８に蓄電されている場合には、自立発電運転停止後に燃料電池の再起動要求があれば、蓄電池３８に蓄電された電力を用いて燃料電池本体１に対する再起動処理を実行するようになっている。
【００５０】
すなわち、この場合、マイコン５０は、自立発電運転停止後も電源切替リレー４０を開放状態に維持し、燃料電池ユニットＡに備えられるリモコン１１を操作可能な状態に保つことで、リモコン１１による燃料電池の再起動の指示を可能にし、当該指示があれば、蓄電池３８に残っている電力を用いて燃料電池本体１を再起動させる処理を実行するようになっている。つまり、この構成を採用する場合、リモコン１１は燃料電池ユニットＡ側に設けられる必要がある。
【００５１】
このように、本実施形態に示す燃料電池発電システムでは、系統２０の停電によって燃料電池本体１が自立発電運転を行っているときに、自立発電運転の停止要求があったときは、蓄電池３８に蓄電された電力を用いて燃料電池本体１の発電運転停止処理を実行するようにしているので、高温のまま燃料電池本体１を停止させることによる燃料電池スタックの劣化を防止することができる。しかも、蓄電池３８に燃料電池本体１を再起動させるに足る電力が残っている場合には、燃料電池の再起動要求に応じて燃料電池本体１を再起動することができるので、系統停電中であっても燃料電池の再起動を行うことができる。
【００５２】
実施形態２
次に、本発明の第２の実施形態を図３および図４に基づいて説明する。
この第２の実施形態に示す燃料電池発電システムは、排熱回収ユニットＢに供給する電力をＤＣ１５ＶからＡＣ１００Ｖに変更するとともに、系統２０が停電したときでも使用できるコンセント（ＦＣ専用コンセント５５）を屋内に設けている。その他の構成は上述した実施形態１と同様であるので、構成が共通する部分には同一の符号を付して説明を省略する。
【００５３】
具体的には、本実施形態に示す燃料電池発電システムは、上述した実施形態１に示す燃料電池発電システムにおいてパワーコンディショナ３の電源基板３５に備えられていた排熱回収ユニット用のＤＣ１５Ｖ出力のＤＣ−ＤＣコンバータを廃止し、その代わりに、電源基板３６に備えられているＤＣ−ＡＣインバータ３２からＡＣ１００Ｖの交流電力を出力して排熱回収ユニットＢおよびＦＣ専用コンセント５５に供給するように構成している。
【００５４】
より詳細には、この燃料電池発電システムでは、電源基板３６に、排熱回収ユニットＢおよびＦＣ専用コンセント５５に対してＡＣ１００Ｖを供給するＡＣ１００Ｖ出力電源線５６を接続するための端子台（図示せず）を設けるとともに、系統２０が停電していないときは系統２０から得られるＡＣ１００Ｖを、また、系統２０が停電し、かつ、燃料電池本体１が自立発電運転を行っているときには自立発電運転に伴ってＤＣ−ＡＣインバータ３２で生成される交流電力から得られるＡＣ１００Ｖを上記端子台に供給する電源切替回路（図示せず）を設けている。なお、系統２０が停電し、かつ、燃料電池本体１が自立発電運転を行っていない場合には、電源切替回路自体に電力が供給されないので、上記端子台にも電力は供給されない。また、系統停電が復旧し系統２０からの電力供給が再開した場合には、マイコン５０が系統復旧を検出して、上記電源切替回路を切り替えて系統２０からの電力を端子台に供給する。
【００５５】
これにより、排熱回収ユニットＢおよびＦＣ専用コンセント５５には、系統２０が停電し、かつ、燃料電池本体１が自立発電運転を行っていない場合以外は常にＡＣ１００Ｖが供給されるようになる。なお、これに伴って、本実施形態の排熱回収ユニットＢには、ＡＣ１００Ｖ出力電源線５６を介して供給されるＡＣ１００Ｖから所望の直流電力を生成するＡＣ−ＤＣコンバータ（図示せず）が備えられる。
【００５６】
次に、このように構成された燃料電池発電システムの動作について図４に基づいて説明する。
【００５７】
この図４は、系統２０の停電に伴う燃料電池本体１の自立発電運転時における電力制御の手順を示している。すなわち、マイコン５０は、燃料電池本体１が発電中に系統２０の停電を検出すると、系統連系リレー３３を開放して燃料電池を系統２０から解列するが、これらの処理を行うと（図４ステップＳ１〜Ｓ３参照）、マイコン５０は、ＦＣ専用コンセント５５と系統２０の接続を遮断するとともに（図４ステップＳ４参照）、燃料電池本体１の発電能力を最大（定格出力）に制御して（図４ステップＳ５，Ｓ６参照）、ＦＣ専用コンセント５５を燃料電池側に接続する（図４ステップＳ７参照）。つまり、上記電源切替回路による接続を、系統２０側から自立発電運転によって生成される交流電力が供給されるＤＣ−ＡＣインバータ３２側に切り替える。これにより、排熱回収ユニットＢおよびＦＣ専用コンセント５５には燃料電池本体１で発電された電力が供給されるようになる。
【００５８】
このようにして、燃料電池本体１で発電した電力を排熱回収ユニットＢおよびＦＣ専用コンセント５５に供給すると、これらによる消費電力が少なければ燃料電池本体１の発電電圧は上昇し、反対に、これらによる消費電力が多ければ発電電圧は下降するので、この関係に基づいて、マイコン５０は、発電電力が所定電圧（αＶ）以上であれば（図４ステップＳ８でＹｅｓ）、燃料電池本体１の発電能力を下げる制御を行う（図４ステップＳ９参照）。一方、発電電力が第２所定電圧（βＶ）未満であれば（図４ステップＳ１０でＹｅｓ）、燃料電池本体１の発電能力を上げる制御を行う（図４ステップＳ１１参照）。
【００５９】
そして、系統停電が復旧すると（図４ステップＳ１２でＮｏ）、マイコン５０は、ＦＣ専用コンセント５５と燃料電池側との接続を遮断するとともに（図４ステップＳ１３参照）、燃料電池本体１の発電能力を最小に制御して（図４ステップＳ１４参照）、系統連系リレー３３を接続すると（図４ステップＳ１５参照）、ＦＣ専用コンセント５５を系統２０側に接続する（図４ステップＳ１６参照）。つまり、この場合は、上記電源切替回路による接続を、ＤＣ−ＡＣインバータ３２側から系統２０側に切り替える。これにより、排熱回収ユニットＢおよびＦＣ専用コンセント５５には系統２０からの電力が供給されるようになる。
【００６０】
このように、本実施形態の燃料電池発電システムでは、系統停電時であっても燃料電池本体１が自立発電運転を行っていれば常にＡＣ１００Ｖの電力が供給されるＦＣ専用コンセント５５が備えられているので、系統停電時であっても動作させる必要のある電力負荷（たとえば、冷蔵庫や医療機器など）をこのＦＣ専用コンセント５５に接続しておくことで、系統停電によりこれらの電力負荷が動作を停止することを回避できる。
【００６１】
なお、この実施形態においても、自立発電運転中に、自立発電運転の停止要求があったときは、マイコン５０は、蓄電池３８に蓄電された電力を用いて燃料電池本体１の発電運転停止処理を実行させる。また、蓄電池３８に燃料電池本体１を再起動させるに足る電力が残っている場合には、再起動要求に応じて蓄電池３８の電力を使って燃料電池本体１の再起動が行われる。
【００６２】
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、本発明はこれら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。
【符号の説明】
【００６３】
１ 燃料電池本体
２ 補機本体
３ パワーコンディショナ
４ ＦＣ制御基板
５ 貯湯タンク
６ 補助熱源機
７ ＥＨＵ制御基板
１１ リモコン
１５ 補機用直流電源線（電源供給ライン）
２０ 系統
３１ 昇圧用のＤＣ−ＤＣコンバータ
３２ ＤＣ−ＡＣインバータ
３３ 系統連系リレー（開閉器）
３８ 蓄電池
３９ 充電回路
４０ 電源切替リレー（スイッチ手段）
５０ マイコン（燃料電池の制御部）
５１ 補機類
Ａ 燃料電池ユニット
Ｂ 排熱回収ユニット
【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、系統停電中に自立発電運転を行う燃料電池発電システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
家庭用のコージェネレーションシステムなどに使用される燃料電池発電システムは、燃料電池を備えた燃料電池ユニットＡと、燃料電池の排熱を回収する貯湯タンクを備えた排熱回収ユニットＢとを備えている（たとえば、特許文献１参照）。
【０００３】
図５は、このような燃料電池発電システムの一例を示している。この図５に示す燃料電池発電システムは、燃料電池ユニットＡと、排熱回収ユニットＢとを別ユニットで構成している。
【０００４】
上記燃料電池ユニットＡは、直流電力を発電する燃料電池本体（燃料電池）１と、この燃料電池本体１の付属機器で構成される補機本体２とを主要部として備えている。燃料電池本体１は、天然ガス、石油などの炭化水素系の燃料を水蒸気改質することによって得られる水素ガス（燃料ガス）と空気（酸素）とを用いて直流電力を発電する周知の構成の発電装置であって、この燃料電池本体１には、たとえば、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）や固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）などが用いられている。
【０００５】
補機本体２は、燃料電池本体１の起動や制御などに用いる周辺機器で構成されており、燃料電池本体１で発電された直流電力を商用電源などの系統２０に連系させるためのパワーコンディショナ３と、燃料電池本体１や燃料電池ユニット内の図示しない各種アクチュエータ（たとえば、排熱回収ユニットＢの貯湯タンク内の湯水を燃料電池ユニットＡ内の熱交換器（図示せず）に強制循環させるための循環ポンプ）などの制御を行うマイコン（ＦＣ制御部）を備えたＦＣ制御基板４とが含まれている。なお、ここで「ＦＣ」とは、「燃料電池（Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ）」の略称である。
【０００６】
上記排熱回収ユニットＢは、燃料電池ユニットＡに設けられた熱交換器で加熱昇温された温水を貯湯する貯湯タンク５と、貯湯タンク５内の湯水をさらに加熱昇温させる際に使用する補助熱源機６と、補助熱源機６や排熱回収ユニット内に設けられる図示しない各種アクチュエータ（たとえば、熱交換器から供給される温水を貯湯タンク５をバイパスして熱交換器に戻す流路を形成させる流路切替弁や、熱交換器に供給する湯水を冷却する冷却装置）などの制御を行うマイコン（ＥＨＵ制御部）を備えたＥＨＵ制御基板７とを主要部として備えている。なお、ここで「ＥＨＵ」とは、「排熱回収ユニット（Ｅｘｈａｕｓｔ Ｈｅａｔ Ｕｎｉｔ）」の略称である。
【０００７】
燃料電池ユニットＡと排熱回収ユニットＢとの間には、貯湯タンク５内の低温の湯水を燃料電池ユニットＡの熱交換器に供給するための排熱低温配管８と、熱交換器で加熱昇温された高温の温水を排熱回収ユニットＢの貯湯タンク５に供給するための排熱高温配管９とが配設される。また、ＥＨＵ制御基板７のマイコンとＦＣ制御基板４のマイコンは、相互に通信できるようにユニット間通信線１０によって通信接続されている。また、上記ＥＨＵ制御基板７には、これら燃料電池ユニットＡや排熱回収ユニットＢを屋内の台所や浴室から遠隔操作したり、台所や浴室においてこれら燃料電池ユニットＡや排熱回収ユニットＢの状況（たとえば、発電状況や貯湯タンク５の状況など）を表示・監視するためのリモコン１１（台所リモコン１１ａや浴室リモコン１１ｂなど）がリモコン通信線１２を介して通信接続されている。
【０００８】
そして、パワーコンディショナ３は、図６に示すように、燃料電池本体１から供給される直流電力を昇圧するＤＣ−ＤＣコンバータ３１と、ＤＣ−ＤＣコンバータ３１で昇圧された直流電力を交流電力に変換するＤＣ−ＡＣインバータ３２とを備えており、ＤＣ−ＡＣインバータ３２で生成された交流電力（ＡＣ２００Ｖ）が系統連系リレー（開閉器）３３を備えた電源線１３を介して屋内の配電盤２１に供給され、配電盤２１を介して系統２０と連系できるようになっている。また、このＤＣ−ＡＣインバータ３２は、ＦＣ制御基板４に供給する交流電力（ＡＣ１００Ｖ）も生成するようになっており、当該交流電力（ＡＣ１００Ｖ）が補機用交流電源線１４を介してＦＣ制御基板４に供給されるようになっている。さらに、このパワーコンディショナ３には、ＦＣ制御基板４に供給する直流電力（図示例では、ＤＣ２４Ｖ）を生成するＤＣ−ＤＣコンバータ３４も備えられており、このＤＣ−ＤＣコンバータ３４で生成された直流電力（ＤＣ２４Ｖ）が補機用直流電源線１５を介してＦＣ制御基板４に供給されるようになっている。
【０００９】
しかして、このように構成されてなる燃料電池発電システムでは、パワーコンディショナ３は、燃料電池本体１が発電をしているときには、発電された直流電力を補機用の電源（ＡＣ１００ＶとＤＣ２４Ｖ）に変換して補機類（燃料電池本体１の起動・運転・停止に必要な周辺機器）に供給する一方、燃料電池本体１が発電を行っていないときには、電源線１３を介して系統２０から供給される電力を補機用の電源に変換して（上記ＤＣ−ＡＣインバータ３２を逆動作させてＡＣ−ＤＣコンバータとして用いて）補機類に供給するようになっている。
【００１０】
一方、排熱回収ユニットＢは、配電盤２１からの交流電力（ＡＣ１００Ｖ）が交流電源線１６を介してＥＨＵ制御基板７に供給されるようになっており、この交流電力（ＡＣ１００Ｖ）が補助熱源機用電源線１７を介して補助熱源機６にも供給されている。つまり、排熱回収ユニットＢは、補助熱源機６およびＥＨＵ制御基板７のそれぞれに、配電盤２１から供給される交流電力から所望の直流電力（たとえば、各種電磁弁やリモコン１１などに供給するＤＣ１５Ｖなど）を生成する電源回路（整流回路やスイッチング電源など）が備えられており、系統２０から供給される電力によって動作するようになっている。
【００１１】
ところで、このような構成の燃料電池発電システムでは、系統２０が停電した場合には、燃料電池本体１で発電した電力を系統側に供給（売電）することができない（禁止されている）ことから、燃料電池本体１が発電運転中に系統２０が停電したような場合には、燃料電池ユニットＡを系統２０から解列して自立発電運転を行わせたいが、上述した構成では、排熱回収ユニットＢは系統２０から電力供給を受けるようになっているため、系統２０の停電中に排熱回収ユニットＢを使用することができない。
【００１２】
そのため、最近では、系統停電時の自立発電運転で発電された電力を排熱回収ユニットＢに供給し、系統停電時においても排熱回収ユニットＢが動作できるようにした燃料電池発電システムも提案されている（たとえば、特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】特開２００９−１５１９７８号公報の図１
【特許文献２】特開２００９−２４３３５３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
しかしながら、上記いずれの構成の燃料電池発電システムにおいても、系統停電時における補機類への電力供給は、自立発電運転によって発電された電力を利用するものであることから、この状態で上記ＦＣ制御部に対して自立発電運転の停止要求があり、燃料電池本体１での発電を停止させてしまうと、補機類に対する電力供給も停止することになり、燃料電池本体１が高温状態のままとなって劣化を早めるおそれがある。
【００１５】
すなわち、発電運転中の燃料電池本体１は高温（たとえば、７００℃程度）になっていることから、発電中の燃料電池の運転停止は、燃料電池本体１の温度を徐々に下げながら行う必要がある。通常、この種の燃料電池において発電運転を停止する場合、（１）発電電力を最低出力まで低下させる、（２）燃料電池の補機である空気ブロワや、水、空気、ガスの各供給経路の電磁弁や、排熱回収ポンプを一斉に停止させる、（３）一定時間（たとえば、十数時間程度）が経過するまで燃料電池本体１の温度低下を監視する、（４）燃料電池本体１の温度が所定温度（たとえば、２００℃）未満になることを条件に空気ブロワを動作させて残留ガスを排出する、といった一連の処理（発電運転停止処理）手順を経るところ、これらの処理を行うには燃料電池の補機類が動作していることが条件となるため、これらの処理が完了する前に補機類への電力供給が停止すると、燃料電池本体１が高温のまま放置されることになって燃料電池のスタックの劣化を招くことになる。
【００１６】
また、この他、補機類に対する電力供給が停止してしまうと、一度停止させた燃料電池本体１を再起動することができなくなるという問題もある。
【００１７】
本発明は、このような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、系統停電時に自立発電運転を行っている燃料電池を劣化させることなく安全に停止させることができる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】
【００１８】
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、燃料電池で発電された電力を系統に連系させる開閉器を備え、系統停電時には上記開閉器を開放して燃料電池を系統から解列させた状態で、燃料電池の自立発電運転を行えるように構成された燃料電池発電システムにおいて、上記燃料電池の自立発電運転停止処理用の電源となる蓄電池を備えてなり、上記燃料電池の制御部は、上記自立発電運転の停止要求があったときに、上記蓄電池に蓄電された電力を用いて燃料電池の発電運転停止処理を実行させることを特徴とする。
【００１９】
すなわち、この燃料電池発電システムでは、燃料電池の自立発電運転停止処理用に蓄電池を備えている。そして、自立発電運転の停止要求があったときは、上記蓄電池に蓄電された電力を用いて燃料電池の発電運転停止処理が行われるので、発電運転を停止させても系統が停電していないときと同じ手順で発電運転を停止させることができ、燃料電池が高温のまま停止することによる劣化を回避することができる。
【００２０】
また、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、上記燃料電池の制御部は、上記蓄電池の蓄電量を検出する蓄電量検出手段を備えてなり、上記自立発電運転の停止要求があったときは、この蓄電量検出手段で検出される蓄電量に応じて上記発電運転停止処理の内容を選択することを特徴する。
【００２１】
すなわち、この請求項２に係る燃料電池発電システムでは、燃料電池の制御部が蓄電池の蓄電量に応じて発電運転停止処理の内容を選択するので、あらかじめ燃料電池の制御部に、蓄電池の蓄電量に応じて複数通りの発電運転停止処理を記憶させておくことにより、蓄電量に応じて最適の発電運転停止処理（たとえば、処理の各工程の時間を短縮したり、一部の工程を省略したりすることなど）ができ、自立発電運転の停止に伴う燃料電池の劣化を最小限に抑えることができる。
【００２２】
また、本発明の請求項３に記載の燃料電池発電システムは、請求項２に記載の燃料電池発電システムにおいて、上記燃料電池の制御部は、前記蓄電量検出手段で検出される蓄電量が所定値以上である場合、自立発電運転停止後に燃料電池の再起動要求があったときには、上記蓄電池に蓄電された電力を用いて燃料電池の再起動処理を実行させることを特徴とする。
【００２３】
すなわち、この請求項３に係る燃料電池発電システムでは、上記蓄電池の蓄電量が燃料電池の再起動を行うに足りるだけある（所定値以上の）場合には、燃料電池の制御部は、燃料電池の再起動要求に応じて蓄電池の電力を用いて燃料電池を再起動させる。したがって、この請求項３に係る燃料電池発電システムによれば、系統停電中であっても燃料電池を再起動させることができる。
【００２４】
また、本発明の請求項４に記載の燃料電池発電システムは、請求項１から３のいずれかに記載の燃料電池発電システムにおいて、上記蓄電池は、上記系統または上記燃料電池から供給される電力を上記燃料電池の制御部ならびに燃料電池の補機類に供給する電源供給ラインにスイッチ手段を介して並列に接続されており、このスイッチ手段を開放することで上記蓄電池からの電力が上記燃料電池の制御部ならびに燃料電池の補機類に供給されるように構成されていることを特徴とする。
【００２５】
すなわち、この請求項４に係る燃料電池システムでは、蓄電池は系統または燃料電池から燃料電池の制御部ならびに燃料電池の補機類に電力を供給する電源ラインに蓄電池が接続されているので、蓄電池は系統または燃料電池からの出力電力によって充電される。そして、系統が停電し、かつ、燃料電池が発電しないときには、スイッチ手段の開放によって蓄電池に蓄電された電力が燃料電池の制御部ならびに燃料電池の補機類に供給される。
【発明の効果】
【００２６】
本発明によれば、系統停電によって燃料電池が自立発電運転を行っているときに、自立発電運転の停止要求があったときには、蓄電池に蓄電された電力を用いて燃料電池の発電運転停止処理を実行するので、系統が停電していないときと同じ手順で発電運転を停止させることができ、高温のまま燃料電池が停止することによる燃料電池の劣化を回避することができる。
【００２７】
また、蓄電池の蓄電量が燃料電池の再起動を行うに足りる電力を有する場合には、燃料電池の再起動要求に応じて蓄電池の電力を用いて燃料電池が再起動されるので、系統停電中であっても燃料電池を再起動することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明に係る燃料電池発電システムの一例を示す概略構成図である。
【図２】同燃料電池発電システムにおけるスイッチ手段の動作手順を示すフローチャートである。
【図３】同燃料電池発電システムの他の実施形態の一例を示す概略構成図である。
【図４】同燃料電池発電システムにおける自立発電運転時の電力制御手順を示すフローチャートである。
【図５】従来の燃料電池発電システムを適用した家庭用のコージェネレーションシステムの一例を示す概略構成図である。
【図６】従来の燃料電池発電システムにおけるパワーコンディショナの概略構成を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。
実施形態１
図１は、本発明に係る燃料電池発電システムの概略構成を示している。この図１に示す燃料電池発電システムは、図５に示した従来の燃料電池発電システムと同様に、家庭用のコージェネレーションシステムに適用した燃料電池システムを示している。したがって、従来の燃料電池システムと構成が共通する部分には同一の符号を付して説明を省略する。
【００３０】
この燃料電池発電システムは、従来の燃料電池発電システムおける排熱回収ユニットＢへの電力供給方法を改変するとともに、系統２０の停電時に行う自立発電運転における発電運転停止処理用の電源を備えたことを主たる特徴としている。
【００３１】
図１に示すように、この燃料電池発電システムは、燃料電池ユニットＡと、排熱回収ユニットＢを主要部として備えている。図示例では、便宜上、パワーコンディショナ３を燃料電池ユニットＡとは別体に示しているが、パワーコンディショナ３は燃料電池ユニットＡ内に内蔵されている。
【００３２】
燃料電池ユニットＡは、スタックなどの燃料電池本体１と、パワーコンディショナ３と、燃料電池の制御部（ＦＣ制御部）を構成するマイコン５０や燃料電池の補機類５１の駆動回路などが実装されたＦＣ制御基板４とを主要部として構成されている。
【００３３】
ここで、パワーコンディショナ３は、燃料電池本体１で発電された直流電力（ＤＣ８０〜１６０Ｖ）を昇圧するＤＣ−ＤＣコンバータ３１とＦＣ制御基板４に供給する直流電力（ＤＣ２４Ｖ)を生成するＤＣ−ＤＣコンバータ３４とを備えた電源基板３５と、電源基板３５でＤＣ２２０Ｖ程度に昇圧された直流電力を系統２０に連系可能な交流電力（単相ＡＣ２００Ｖ）に変換するＤＣ−ＡＣインバータ３２を備えた電源基板３６と、電源基板３６で変換された交流電力を系統２０に連系させるための系統連系リレー（開閉器）３３とを備えている（図６参照）。
【００３４】
そして、本実施形態の燃料電池発電システムでは、これらの構成に加えて、パワーコンディショナ３の電源基板３５に、排熱回収ユニットＢに供給する直流電力（ＤＣ１５Ｖ）を生成するＤＣ−ＤＣコンバータ（図示せず）が備えられており、このＤＣ−ＤＣコンバータで生成されたＤＣ１５Ｖの直流電力が排熱回収ユニットＢに供給されるようになっている。
【００３５】
また、このパワーコンディショナ３には、自立発電運転停止処理用の電源を構成する電源回路３７が備えられている。この電源回路３７は、蓄電池３８と、蓄電池３８への充電を制御する充電回路３９と、ＦＣ制御基板４と電源基板３５との電気的な接続を解除して、蓄電池３８に充電された電力をＦＣ制御基板４に供給させるスイッチとなる電源切替リレー（スイッチ手段）４０とを主要部として備えている。
【００３６】
蓄電池３８は、直流電力（ＤＣ２４Ｖ）を蓄電する充電式の電池で構成されており、この蓄電池３８の正極および負極の各端子が電源基板３５とＦＣ制御基板４を接続する補機用直流電源線（電源供給ライン）１５，１５に並列に接続されている。より詳細には、蓄電池３８の負極（−極）が電源切替リレー４０を介して電源基板３５の負極と接続されるとともに、蓄電池３８の正極（＋極）が逆流防止用のダイオード４１を介して電源基板３５の正極と接続される。また、充電回路３９は、一端が電源基板３５の正極と接続されるとともに、他端が逆流防止用のダイオード４２を介して蓄電池３８の正極に接続されている。
【００３７】
すなわち、この蓄電池３８は、上記電源切替リレー４０を短絡（閉成）させることによって、電源基板３５からＦＣ制御基板４に供給される直流電力により充電されるようになっており、電源切替リレー４０を開放（開成）することによって、蓄電池３８に充電された直流電力がＦＣ制御基板４（マイコン５０や補機類５１）に供給されるようになっている。なお、充電回路３９には、蓄電池３８の蓄電量（充電量）を検出する蓄電量検出手段（図示せず）が備えられており、この蓄電量検出手段で検出される蓄電量に基づいて充電回路３９が蓄電池３８への充電の開始／停止を制御するようになっている。また、この蓄電量検出手段で検出される蓄電池３８の蓄電量に関する情報はマイコン５０にも与えられ、後述するマイコン５０による制御に利用される。
【００３８】
ＦＣ制御部を構成するマイコン５０は、燃料電池ユニットＡの各部に設けられる図示しないセンサ類から与えられる情報や、排熱回収ユニットＢのＥＨＵ制御部との通信（リモコン１１との通信を含む）によって得られる情報などに基づいて、燃料電池ユニットＡの各部を制御する制御装置であって、このマイコン５０には、燃料電池ユニットＡを制御するための各種制御プログラムや制御データが記憶されている（詳細は後述する）。
【００３９】
上記排熱回収ユニットＢは、貯湯タンク５、補助熱源機６、ＥＨＵ制御基板７を主要部として備えている。そして、本実施形態に示す排熱回収ユニットＢでは、補助熱源機６を始めとする排熱回収ユニットＢの各部（たとえば、貯湯タンク５の流路切替弁や冷却装置のファンなど）やＥＨＵ制御基板７に接続されるリモコン１１は、パワーコンディショナ３の電源基板３５から供給される直流電力（ＤＣ１５Ｖ）に基づいて動作するように構成されている。
【００４０】
なお、このリモコン１１は、従来の燃料電池発電システムと同様に排熱回収ユニットＢに備えさせることができるほか、図１の一点鎖線で示すように、燃料電池ユニットＡのＦＣ制御基板４（具体的には、マイコン５０）側に接続されるように構成することも可能である。その場合、リモコン１１はＦＣ制御基板４から電力供給を受けるように構成しておくことで、後述する自立発電運転の停止後においてもＦＣ制御基板４（蓄電池３８）から電力供給を受けて操作可能な状態を維持することができる。
【００４１】
次に、このように構成された燃料電池発電システムの動作について説明する。
この燃料電池発電システムでは、系統２０が停電しておらず、かつ、燃料電池本体１が発電運転を行っている場合、燃料電池本体１で発電された電力はパワーコンディショナ３を介して系統２０に連系される（系統連系リレー３３は短絡させる）とともに、発電された電力がパワーコンディショナ３（電源基板３５）を介して燃料電池ユニットＡのＦＣ制御基板４および排熱回収ユニットＢに供給される。このとき、マイコン５０は、上記電源切替リレー４０を短絡させて蓄電池３８を充電可能な状態にし、蓄電池３８からＦＣ制御部４への電力供給を遮断させている。
【００４２】
これに対して、燃料電池本体１が発電運転を行っていない場合（発電停止中の場合）は、燃料電池ユニットＡのＦＣ制御基板４および排熱回収ユニットＢには燃料電池本体１から電力を供給することができないので、この場合は、これらに対して系統２０側から電力を供給する。すなわち、この場合、電源基板３６のＤＣ−ＡＣインバータ３２を逆動作させて直流電力を生成し、この直流電力から電源基板３５がＤＣ２４ＶとＤＣ１５Ｖを生成して、ＦＣ制御基板４および排熱回収ユニットＢに供給する。なお、このときもマイコン５０は、上記電源切替リレー４０を短絡させて蓄電池３８を充電可能な状態にしている。
【００４３】
そして、燃料電池本体１が発電運転中に系統２０が停電した場合、マイコン５０は、系統連系リレー３３を開放して燃料電池本体１を系統２０から解列するとともに、その状態で燃料電池本体１による発電運転を継続し、燃料電池に自立発電運転を行わせる。この自立発電運転中は、上述した通常の発電運転の場合と同様に、燃料電池本体１で発電された電力がパワーコンディショナ３の電源基板３５を介して燃料電池ユニットＡのＦＣ制御基板４および排熱回収ユニットＢに供給される。また、このとき、上記電源切替リレー４０は短絡状態とされ、蓄電池３８からＦＣ制御部４への電力供給は遮断されたままとされる。
【００４４】
そして、この自立発電運転中に燃料電池の制御部に自立発電運転の停止要求があったとき（たとえば、リモコン１１で自立発電運転の停止操作がなされたり、あるいは、マイコン５０が燃料電池本体１などの異常を検出して停止要求を発した場合など）には、マイコン５０は、上記電源切替リレー４０を開放し、蓄電池３８に蓄電された電力を用いて、あらかじめマイコン５０に記憶された手順にしたがって発電運転停止処理を行う。
【００４５】
すなわち、マイコン５０は、自立発電運転の停止要求があった場合、図２に示すように、系統２０が停電しており（図２ステップＳ１でＹｅｓ)、かつ、自立発電運転の停止要求によって発電を停止させることを条件（図２ステップＳ２でＹｅｓ)に、電源切替リレー４０を開放するようになっている（図２ステップＳ３参照）。なお、その他の場合は、上述したとおり、電源切替リレー４０は短絡状態とされる（図２ステップＳ４参照）。
【００４６】
ここで、マイコン５０が実施する発電運転停止処理の内容は、一つの処理内容として特定しておくこともできるが、本実施形態では、上記蓄電量検出手段で検出される蓄電池３８の蓄電量に応じてマイコン５０が処理の内容を選択するようになっている。
【００４７】
すなわち、マイコン５０には、発電運転停止処理の手順としてあらかじめ複数通りの手順が記憶されており、マイコン５０は蓄電池３８の蓄電量に応じて（蓄電量で実施可能な範囲で）最適な手順を選択するように構成されている。具体的には、発電運転停止処理の手順は、通常の手順（系統２０が停電していない状態で燃料電池本体１を停止させるときの手順）に従えば、（１）燃料電池本体１の発電電力を最低出力まで低下させる、（２）燃料電池の補機である空気ブロワや、水、空気、ガスの各供給経路の電磁弁や、排熱回収ポンプを一斉に停止させる、（３）一定時間（たとえば、十数時間程度）が経過するまで燃料電池本体１の温度低下を監視する、（４）燃料電池本体１の温度が所定温度（たとえば、２００℃）未満になることを条件に空気ブロワを動作させて残留ガスを排出する、といった一連の手順の各工程を一定時間ずつ実施するようにプログラムされているが、これらすべての工程を通常の手順で行うには蓄電池３８の蓄電量が不足する場合がある。本実施形態では、このような蓄電量に不足がある場合を想定して、マイコン５０には、上述した通常の手順に加えて、処理の各工程の時間を短縮したり、あるいは、一部の工程を省略したり、さらには、一部の部品への電力供給を遮断する手順を含めるなどの数通りの発電運転停止処理手順が記憶されており、マイコン５０はこれらのうちから蓄電池３８の蓄電量で実施可能な処理手順（たとえば、時間短縮や省略された工程の少ない処理手順）を選択するように構成されている。
【００４８】
なお、この発電運転停止処理手順の一例としては、たとえば、空気ブロワによる残留ガスの排出開始温度を高めに設定した処理手順や、空気ブロワによる残留ガスの排出時間を短縮した処理手順、リモコン１１が燃料電池ユニットＡ側に設けられている場合には、リモコン１１への通電を遮断する手順を含んだ処理手順、さらには、これらを組み合わせた手順などが採用できるが、その具体的な内容は適宜設定可能である。
【００４９】
また、本実施形態の燃料電池発電システムでは、このような構成に加えて、マイコン５０は、蓄電量検出手段で検出される蓄電池３８の蓄電量が所定値以上である場合、つまり、上述した発電運転停止処理実行後においても燃料電池本体１を起動するに十分な電力が蓄電池３８に蓄電されている場合には、自立発電運転停止後に燃料電池の再起動要求があれば、蓄電池３８に蓄電された電力を用いて燃料電池本体１に対する再起動処理を実行するようになっている。
【００５０】
すなわち、この場合、マイコン５０は、自立発電運転停止後も電源切替リレー４０を開放状態に維持し、燃料電池ユニットＡに備えられるリモコン１１を操作可能な状態に保つことで、リモコン１１による燃料電池の再起動の指示を可能にし、当該指示があれば、蓄電池３８に残っている電力を用いて燃料電池本体１を再起動させる処理を実行するようになっている。つまり、この構成を採用する場合、リモコン１１は燃料電池ユニットＡ側に設けられる必要がある。
【００５１】
このように、本実施形態に示す燃料電池発電システムでは、系統２０の停電によって燃料電池本体１が自立発電運転を行っているときに、自立発電運転の停止要求があったときは、蓄電池３８に蓄電された電力を用いて燃料電池本体１の発電運転停止処理を実行するようにしているので、高温のまま燃料電池本体１を停止させることによる燃料電池スタックの劣化を防止することができる。しかも、蓄電池３８に燃料電池本体１を再起動させるに足る電力が残っている場合には、燃料電池の再起動要求に応じて燃料電池本体１を再起動することができるので、系統停電中であっても燃料電池の再起動を行うことができる。
【００５２】
実施形態２
次に、本発明の第２の実施形態を図３および図４に基づいて説明する。
この第２の実施形態に示す燃料電池発電システムは、排熱回収ユニットＢに供給する電力をＤＣ１５ＶからＡＣ１００Ｖに変更するとともに、系統２０が停電したときでも使用できるコンセント（ＦＣ専用コンセント５５）を屋内に設けている。その他の構成は上述した実施形態１と同様であるので、構成が共通する部分には同一の符号を付して説明を省略する。
【００５３】
具体的には、本実施形態に示す燃料電池発電システムは、上述した実施形態１に示す燃料電池発電システムにおいてパワーコンディショナ３の電源基板３５に備えられていた排熱回収ユニット用のＤＣ１５Ｖ出力のＤＣ−ＤＣコンバータを廃止し、その代わりに、電源基板３６に備えられているＤＣ−ＡＣインバータ３２からＡＣ１００Ｖの交流電力を出力して排熱回収ユニットＢおよびＦＣ専用コンセント５５に供給するように構成している。
【００５４】
より詳細には、この燃料電池発電システムでは、電源基板３６に、排熱回収ユニットＢおよびＦＣ専用コンセント５５に対してＡＣ１００Ｖを供給するＡＣ１００Ｖ出力電源線５６を接続するための端子台（図示せず）を設けるとともに、系統２０が停電していないときは系統２０から得られるＡＣ１００Ｖを、また、系統２０が停電し、かつ、燃料電池本体１が自立発電運転を行っているときには自立発電運転に伴ってＤＣ−ＡＣインバータ３２で生成される交流電力から得られるＡＣ１００Ｖを上記端子台に供給する電源切替回路（図示せず）を設けている。なお、系統２０が停電し、かつ、燃料電池本体１が自立発電運転を行っていない場合には、電源切替回路自体に電力が供給されないので、上記端子台にも電力は供給されない。また、系統停電が復旧し系統２０からの電力供給が再開した場合には、マイコン５０が系統復旧を検出して、上記電源切替回路を切り替えて系統２０からの電力を端子台に供給する。
【００５５】
これにより、排熱回収ユニットＢおよびＦＣ専用コンセント５５には、系統２０が停電し、かつ、燃料電池本体１が自立発電運転を行っていない場合以外は常にＡＣ１００Ｖが供給されるようになる。なお、これに伴って、本実施形態の排熱回収ユニットＢには、ＡＣ１００Ｖ出力電源線５６を介して供給されるＡＣ１００Ｖから所望の直流電力を生成するＡＣ−ＤＣコンバータ（図示せず）が備えられる。
【００５６】
次に、このように構成された燃料電池発電システムの動作について図４に基づいて説明する。
【００５７】
この図４は、系統２０の停電に伴う燃料電池本体１の自立発電運転時における電力制御の手順を示している。すなわち、マイコン５０は、燃料電池本体１が発電中に系統２０の停電を検出すると、系統連系リレー３３を開放して燃料電池を系統２０から解列するが、これらの処理を行うと（図４ステップＳ１〜Ｓ３参照）、マイコン５０は、ＦＣ専用コンセント５５と系統２０の接続を遮断するとともに（図４ステップＳ４参照）、燃料電池本体１の発電能力を最大（定格出力）に制御して（図４ステップＳ５，Ｓ６参照）、ＦＣ専用コンセント５５を燃料電池側に接続する（図４ステップＳ７参照）。つまり、上記電源切替回路による接続を、系統２０側から自立発電運転によって生成される交流電力が供給されるＤＣ−ＡＣインバータ３２側に切り替える。これにより、排熱回収ユニットＢおよびＦＣ専用コンセント５５には燃料電池本体１で発電された電力が供給されるようになる。
【００５８】
このようにして、燃料電池本体１で発電した電力を排熱回収ユニットＢおよびＦＣ専用コンセント５５に供給すると、これらによる消費電力が少なければ燃料電池本体１の発電電圧は上昇し、反対に、これらによる消費電力が多ければ発電電圧は下降するので、この関係に基づいて、マイコン５０は、発電電力が所定電圧（αＶ）以上であれば（図４ステップＳ８でＹｅｓ）、燃料電池本体１の発電能力を下げる制御を行う（図４ステップＳ９参照）。一方、発電電力が第２所定電圧（βＶ）未満であれば（図４ステップＳ１０でＹｅｓ）、燃料電池本体１の発電能力を上げる制御を行う（図４ステップＳ１１参照）。
【００５９】
そして、系統停電が復旧すると（図４ステップＳ１２でＮｏ）、マイコン５０は、ＦＣ専用コンセント５５と燃料電池側との接続を遮断するとともに（図４ステップＳ１３参照）、燃料電池本体１の発電能力を最小に制御して（図４ステップＳ１４参照）、系統連系リレー３３を接続すると（図４ステップＳ１５参照）、ＦＣ専用コンセント５５を系統２０側に接続する（図４ステップＳ１６参照）。つまり、この場合は、上記電源切替回路による接続を、ＤＣ−ＡＣインバータ３２側から系統２０側に切り替える。これにより、排熱回収ユニットＢおよびＦＣ専用コンセント５５には系統２０からの電力が供給されるようになる。
【００６０】
このように、本実施形態の燃料電池発電システムでは、系統停電時であっても燃料電池本体１が自立発電運転を行っていれば常にＡＣ１００Ｖの電力が供給されるＦＣ専用コンセント５５が備えられているので、系統停電時であっても動作させる必要のある電力負荷（たとえば、冷蔵庫や医療機器など）をこのＦＣ専用コンセント５５に接続しておくことで、系統停電によりこれらの電力負荷が動作を停止することを回避できる。
【００６１】
なお、この実施形態においても、自立発電運転中に、自立発電運転の停止要求があったときは、マイコン５０は、蓄電池３８に蓄電された電力を用いて燃料電池本体１の発電運転停止処理を実行させる。また、蓄電池３８に燃料電池本体１を再起動させるに足る電力が残っている場合には、再起動要求に応じて蓄電池３８の電力を使って燃料電池本体１の再起動が行われる。
【００６２】
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、本発明はこれら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。
【符号の説明】
【００６３】
１ 燃料電池本体
２ 補機本体
３ パワーコンディショナ
４ ＦＣ制御基板
５ 貯湯タンク
６ 補助熱源機
７ ＥＨＵ制御基板
１１ リモコン
１５ 補機用直流電源線（電源供給ライン）
２０ 系統
３１ 昇圧用のＤＣ−ＤＣコンバータ
３２ ＤＣ−ＡＣインバータ
３３ 系統連系リレー（開閉器）
３８ 蓄電池
３９ 充電回路
４０ 電源切替リレー（スイッチ手段）
５０ マイコン（燃料電池の制御部）
５１ 補機類
Ａ 燃料電池ユニット
Ｂ 排熱回収ユニット
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池で発電された電力を系統に連系させる開閉器を備え、系統停電時には前記開閉器を開放して燃料電池を系統から解列させた状態で、燃料電池の自立発電運転を行えるように構成された燃料電池発電システムにおいて、
前記燃料電池の自立発電運転停止処理用の電源となる蓄電池を備えてなり、
前記燃料電池の制御部は、前記自立発電運転の停止要求があったときに、前記蓄電池に蓄電された電力を用いて燃料電池の発電運転停止処理を実行させることを特徴とする燃料電池発電システム。
【請求項２】
前記燃料電池の制御部は、前記蓄電池の蓄電量を検出する蓄電量検出手段を備えてなり、前記自立発電運転の停止要求があったときは、この蓄電量検出手段で検出される蓄電量に応じて前記発電運転停止処理の内容を選択することを特徴する請求項１に記載の燃料電池発電システム。
【請求項３】
前記燃料電池の制御部は、前記蓄電量検出手段で検出される蓄電量が所定値以上である場合、自立発電運転停止後に燃料電池の再起動要求があったときには、前記蓄電池に蓄電された電力を用いて燃料電池の再起動処理を実行させることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池発電システム。
【請求項４】
前記蓄電池は、前記系統または前記燃料電池から供給される電力を前記燃料電池の制御部ならびに燃料電池の補機類に供給する電源供給ラインにスイッチ手段を介して並列に接続されており、このスイッチ手段を開放することで前記蓄電池からの電力が前記燃料電池の制御部ならびに燃料電池の補機類に供給されるように構成されていることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の燃料電池発電システム。
【請求項１】
燃料電池で発電された電力を系統に連系させる開閉器を備え、系統停電時には前記開閉器を開放して燃料電池を系統から解列させた状態で、燃料電池の自立発電運転を行えるように構成された燃料電池発電システムにおいて、
前記燃料電池の自立発電運転停止処理用の電源となる蓄電池を備えてなり、
前記燃料電池の制御部は、前記自立発電運転の停止要求があったときに、前記蓄電池に蓄電された電力を用いて燃料電池の発電運転停止処理を実行させることを特徴とする燃料電池発電システム。
【請求項２】
前記燃料電池の制御部は、前記蓄電池の蓄電量を検出する蓄電量検出手段を備えてなり、前記自立発電運転の停止要求があったときは、この蓄電量検出手段で検出される蓄電量に応じて前記発電運転停止処理の内容を選択することを特徴する請求項１に記載の燃料電池発電システム。
【請求項３】
前記燃料電池の制御部は、前記蓄電量検出手段で検出される蓄電量が所定値以上である場合、自立発電運転停止後に燃料電池の再起動要求があったときには、前記蓄電池に蓄電された電力を用いて燃料電池の再起動処理を実行させることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池発電システム。
【請求項４】
前記蓄電池は、前記系統または前記燃料電池から供給される電力を前記燃料電池の制御部ならびに燃料電池の補機類に供給する電源供給ラインにスイッチ手段を介して並列に接続されており、このスイッチ手段を開放することで前記蓄電池からの電力が前記燃料電池の制御部ならびに燃料電池の補機類に供給されるように構成されていることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の燃料電池発電システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１３−９７９４２（Ｐ２０１３−９７９４２Ａ）
【公開日】平成２５年５月２０日（２０１３．５．２０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２３８２００（Ｐ２０１１−２３８２００）
【出願日】平成２３年１０月３１日（２０１１．１０．３１）
【出願人】（０００００４７０９）株式会社ノーリツ (1,293)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年５月２０日（２０１３．５．２０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１０月３１日（２０１１．１０．３１）
【出願人】（０００００４７０９）株式会社ノーリツ (1,293)
【Ｆターム（参考）】
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