JP2015133213A

JP2015133213A - 電力制御装置、電力制御装置の制御方法および電力制御装置の制御プログラム

Info

Publication number: JP2015133213A
Application number: JP2014003604A
Authority: JP
Inventors: 健太沖野; Kenta Okino
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2014-01-10
Filing date: 2014-01-10
Publication date: 2015-07-23
Anticipated expiration: 2034-01-10
Also published as: JP6276036B2

Abstract

【課題】電力制御装置の異常温度上昇等の燃料電池停止要因が発生した場合に、燃料電池シャットダウン用電力が供給されない事態が発生すると、冷却過程に支障をきたし、燃料電池スタックに致命的な障害が発生するおそれがあるという問題があった。【解決手段】本発明は、燃料電池１ｂと蓄電池１ｃとを含む複数の分散電源と、系統７とを接続可能な電力制御装置１００であって、複数の分散電源がそれぞれ接続されて電力供給を行うことが可能な複数の電力供給部３ａ〜３ｃと、燃料電池１ｂのシャットダウン中に、燃料電池１ｂを除く分散電源、又は系統７のうち少なくとも一つから燃料電池１ｂに対して、シャットダウン完了まで電力供給を継続させる制御部１０３とを備えることを特徴とする電力制御装置１００を提供する。【選択図】図３

Description

本発明は、燃料電池と接続可能な電力制御装置、該電力制御装置の制御方法および該電力制御装置を制御するための制御プログラムに関するものである。

近年、石油に依存しないエネルギーセキュリティの向上、及び排出ガスに窒素酸化物を含まないクリーンエネルギー化等の観点から、ガスの電気化学反応により電気を発生させる燃料電池による発電システムへの期待が高まっている。そして例えば特許文献１のように、燃料電池を利用した数々の燃料電池給電システムが提案されている。

この燃料電池は、使用する電解質の種類によって分類することができ、反応温度が３００度以下の低温タイプには、固体高分子形（ＰＥＦＣ）、リン酸形（ＰＡＦＣ）などがあり、高温タイプには、溶融炭酸塩形（ＭＣＦＣ）、固体酸化物形（ＳＯＦＣ）などがある。この中で、固体酸化物形は、運転温度が高いために排熱が利用しやすく、高い発電効率が得られるなどの特徴がある。

特開平７−１２３６０９号公報

例えば固体酸化物形燃料電池では、動作温度として７００−１０００度程度が必要とされ、固体酸化物形燃料電池に含まれる複数のセル（電池部）を積層した燃料電池スタックにはセラミックスなどの高耐熱性の材料が使用されている。このため、燃料電池の発電停止後に十分に時間をかけて発電セルの冷却を行わないと、急激な温度変化又は中央部と周縁部での温度差に起因して熱ストレスが加わり、セラミックス製の発電セルに割れが生じてしまうなどのおそれがある。そのため、固体酸化物形燃料電池などの燃料電池では、発電停止後も外部から電力を供給し、十分に時間をかけて冷却を行なうことが推奨される。

かかる点に鑑みてなされた本発明の目的は、燃料電池の長寿命化を図ることのできる電力制御装置、電力制御装置の制御方法および電力制御装置の制御プログラムを提供することである。

上述した諸課題を解決すべく、本発明に係る電力制御装置は、燃料電池と蓄電池とを含む複数の分散電源と、系統とを接続可能な電力制御装置であって、前記複数の分散電源がそれぞれ接続されて電力供給を行うことが可能な複数の電力供給部と、前記燃料電池のシャットダウン中に、前記燃料電池を除く前記分散電源、又は前記系統のうち少なくとも一つから前記燃料電池に対して、シャットダウン完了まで電力供給を継続させる制御部とを備えることを特徴とする。

また、前記制御部は、前記燃料電池を停止させるべき要因が有ると判定し、かつ前記燃料電池の動作モードが発電中の場合には、前記蓄電池に充電させる充電処理を行うことが好ましい。

また、前記制御部は、前記燃料電池を停止させるべき要因の種類を判定し、前記充電処理を行う際に前記要因の種類に対応した充電量を超えるように前記蓄電池に充電させることが好ましい。

また、前記要因は、前記電力制御装置の温度異常検出であることが好ましい。

また、前記制御部は、前記要因が生じた場合に、前記燃料電池への電力供給を行わない前記電力供給部又は前記電力制御装置に接続された負荷のうち少なくともいずれか一つを停止させる停止処理を行うことが好ましい。

また、前記制御部は、前記燃料電池のシャットダウンが完了し、且つ前記温度異常検出が解消した後に、前記停止処理の少なくとも一部を解除することが好ましい。

また、前記充電処理において、前記制御部は、前記燃料電池のシャットダウン完了に必要な電力量を、前記蓄電池を除く前記分散電源又は前記系統から前記蓄電池に充電させることが好ましい。

また、前記要因は、利用者等によって行われる前記燃料電池の停止操作であって、前記制御部は、前記蓄電池を除く前記分散電源又は前記系統から前記蓄電池にあらかじめ設定された第１の充電量を充電させる前記充電処理を行うことが好ましい。

また、前記要因は、定期的に自動で行われる前記燃料電池の停止であって、前記制御部は、前記蓄電池を除く前記分散電源又は前記系統から前記蓄電池に対し、前記要因が利用者等によって行われる前記燃料電池の停止操作であった場合における第１の充電量よりも多い第２の充電量を充電させる前記充電処理を行うことが好ましい。

また、前記制御部は、前記燃料電池への電力供給を行う電力供給部を流れる電流の方向により、前記燃料電池が発電中か否かの判定を行うことが好ましい。

また、前記燃料電池は、固体酸化物形燃料電池であることが好ましい。

また、上述した諸課題を解決すべく、本発明に係る電力制御装置の制御方法は、燃料電池と蓄電池とを含む複数の分散電源と、系統とを接続可能な電力制御装置の制御方法であって、前記電力制御装置による処理手順は、前記燃料電池の動作モードを判定する燃料電池動作判定ステップと、前記燃料電池動作判定ステップにおいて前記燃料電池がシャットダウン中であると判定した場合に、前記燃料電池を除く前記分散電源、又は前記系統のうち少なくとも一つから前記燃料電池に対して、シャットダウンを完了するまで電力供給を継続させるシャットダウン電力供給ステップとを含むことを特徴とする。

また、上述した諸課題を解決すべく、本発明に係る電力制御装置の制御プログラムは、燃料電池と蓄電池とを含む複数の分散電源と、系統とを接続可能な電力制御装置に、前記燃料電池の動作モードを判定する燃料電池動作判定ステップと、前記燃料電池動作判定ステップにおいて前記燃料電池がシャットダウン中であると判定した場合に、前記燃料電池を除く前記分散電源、又は前記系統のうち少なくとも一つから前記燃料電池に対して、シャットダウンを完了するまで電力供給を継続させるシャットダウン電力供給ステップとを実行させることを特徴とする。

本発明によれば、電力制御装置内に異常温度上昇等の燃料電池停止要因が発生しても燃料電池に電力が供給され続けるので、燃料電池スタックに損傷を与えることなく、燃料電池を安全に停止させることができる。

本発明の一実施形態の電力制御装置の構成を示す。本発明の一実施形態の電力制御装置の定常運転時における動作状態を示す。本発明の一実施形態の電力制御装置において、燃料電池が運転状態から停止状態に至るまでの制御フローを示す。本発明の一実施形態の電力制御装置が異常温度上昇を検知した場合の動作状態を示す。本発明の一実施形態の電力制御装置において、接続される燃料電池がシャットダウン中である場合における動作状態を示す。本発明の一実施形態の電力制御装置に接続される燃料電池の動作モードと、電流の流れとの関係を示す。本発明の一実施形態の電力制御装置に接続される燃料電池が第１の充電量又は第２の充電量に達するまで充電処理を行うときの動作状態を示す。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。

図１は、本発明の一実施形態に係る電力制御装置１００の構成を示すブロック図である。本実施形態に係る電力制御装置１００は、複数の電源機器を接続するための電源機器接続部１０１と、負荷と接続するための負荷接続部１０２と、各構成要素を制御するための制御部１０３とを備える。

まず、電源機器接続部１０１の構成及び動作について説明する。電源機器接続部１０１は、各電源機器１ａ〜１ｃを接続するための電源機器接続端子２ａ〜２ｃ及び各電源機器接続端子２ａ〜２ｃから入力された直流電力を所望の電圧に変換するための電圧変換器３ａ〜３ｃを備える。電圧変換器３ａ〜３ｃにより昇圧又は降圧された電力は、インバータ４へと出力される。本明細書において、電圧変換器３ａ〜３ｃは、各電源機器１ａ〜１ｃからの出力電力をインバータ４等に供給する為の電力供給部として機能する。また、電圧変換器３ｂ，３ｃは、インバータ４又は他の電源機器からの電力を燃料電池１ｂ又は蓄電池１ｃに供給する為の電力供給部として機能する。更に、インバータ４は特定負荷８ｂに対して電力を供給する為の電力供給部として機能するものとする。

電源機器接続端子２ａ〜２ｃは、各電源機器１ａ〜１ｃと本発明の電力制御装置１００との間で電力の入出力を行うための電力端子の他、制御部１０３が各電源機器１ａ〜１ｃの制御を行うための制御信号端子を備えることができる。本実施形態においては、電源機器接続端子２ａ〜２ｃには、それぞれ電源機器１ａ（太陽電池）、電源機器１ｂ（燃料電池）、電源機器１ｃ（蓄電池）が接続される。

太陽電池１ａは太陽光のエネルギーを直流電力に変換するものであり、例えば光電変換セルを多数直列に接続し、太陽光が照射されたときに所定の電流を出力するように構成される。本実施形態において電源機器接続端子２ａに接続される太陽電池１ａには、例えばシリコン系多結晶太陽電池を使用することができるが、本発明はこれに限定されるものではなく、シリコン系単結晶太陽電池、あるいはＣＩＧＳ等の薄膜太陽電池等、光電変換可能なものであればよい。

燃料電池１ｂは、ガスの電気化学反応により電気を発生させるものである。本実施形態では例えば、固体酸化物形（ＳＯＦＣ）燃料電池を用いることができる。

本実施形態に用いられる蓄電池１ｃは、例えばリチウムイオン電池を用いることが好ましいが、ニッケル水素電池等の他の種類の蓄電池も使用することができる。また、蓄電池単体の他、電気自動車（ＥＶ）又はプラグインハイブリッド車（ＰＨＶ）に搭載されている蓄電池に対して充電を行うことも可能である。

電圧変換器３ａ〜３ｃは、各電源機器１ａ〜１ｃの直流出力電圧が所定の直流電圧値になるようにＤＣ／ＤＣ変換を行う。より具体的には、電圧変換器３ａ〜３ｃは、ＤＣ／ＤＣ変換回路を有し、制御部１０３からの制御信号１０に基づき、各電源機器１ａ〜１ｃからの直流入力電圧を、所定の目標電圧値まで昇圧してから、インバータ４に出力する。

電圧変換器３ｂ，３ｃは双方向のＤＣ／ＤＣ変換を行うことが可能であり、例えば図１の電圧変換器３ｃは電源機器１ｃ（蓄電池）からの直流出力電力を昇圧又は降圧しインバータ４に出力し、またインバータ４又は他の電圧変換器３ａ，３ｂからの直流入力電力を降圧又は昇圧し電源機器１ｃ（蓄電池）に供給することができる。

電源機器接続端子２ａ〜２ｃに接続される電源機器１ａ〜１ｃは、各々からの直流入力電圧が異なるが、本実施形態においては、各直流入力電圧に応じた異なる調節量で電圧変換を行うことにより、同一の目標電圧値まで昇圧される。

燃料電池管理部１０４は、電圧変換器３ｂにおいて電流が流れる方向についての情報を取得し、制御部１０３に対して情報を適宜送信する。制御部１０３は、後述するように、この電流が流れる方向等によって電源機器１ｂ（燃料電池）が起動、発電、シャットダウン、停止のうちいずれの状態であるのかを判定する。

電源機器接続端子２ａに接続する電源機器１ａは、太陽電池のほか、風力発電機、小型水力発電機など、交流電力を整流して出力するものを含んでもよい。

次に負荷接続部１０２の構成及び動作について説明する。負荷接続部１０２は、各電源機器１ａ〜１ｃからの電力を変換するインバータ４及びインバータ４の出力を特定負荷８ｂに接続する負荷接続端子６ｂを備える。更に負荷接続部１０２は、商用電源系統７を電力制御装置１００と接続するための系統接続端子６ａを備える。

また、負荷接続部１０２は、商用電源系統７との接続をオン／オフするためのスイッチ５ａと、商用電源系統７又はインバータ４からの電力を特定負荷８ｂに提供するか否かを選択するためのスイッチ５ｂと、各電源機器１ａ〜１ｃの出力電力をインバータ４に供給するか否かを選択するためのスイッチ５ｃとを備える。各スイッチはそれぞれリレー、トランジスタなどにより構成され、制御部１０３からの制御信号１０に基づきオン／オフ状態の切り替えを行うように構成される。特定負荷８ｂ以外の一般の負荷８ａは、商用電源系統７と系統接続端子６ａの間において接続され、商用電源系統７から電力供給を受ける。

インバータ４は、制御部１０３からの制御信号１０を基に、各電源機器１ａ〜１ｃからの電圧変換後の電力を、供給する特定負荷８ｂに対応した電力に変換する。本実施形態において、インバータ４は、各電源機器１ａ〜１ｃからの電圧変換後の電力を交流１００Ｖに変換する。交流１００Ｖに変換された電力は、負荷接続端子６ｂに接続された特定負荷８ｂに供給される。

系統接続端子６ａ及び負荷接続端子６ｂは、商用電源系統７及び特定負荷８ｂとの間で電力の入出力を行うための電力端子の他、制御部１０３が各負荷の制御を行い得るように制御信号端子を備えることができる。本実施形態において、系統接続端子６ａには商用電源系統７が接続され、系統接続端子６ａと商用電源系統７との間には、一般の負荷８ａが分電盤等を介して接続されている。電力制御装置１００と負荷８ａ及び特定負荷８ｂとの間が例えばＥＣＨＯＮＥＴＬｉｔｅ（登録商標）規格等の通信により接続されている場合には、制御部１０３が制御信号１０を送信することにより負荷８ａ及び特定負荷８ｂの動作を制御することができる。

負荷接続端子６ｂには、交流１００Ｖで動作する特定負荷８ｂが接続される。交流１００Ｖで動作する特定負荷８ｂの例としては、冷蔵庫、非常用電灯、給湯システム又は家庭用ネットワークサーバーなど、停電を極力回避すべき電気製品が挙げられる。一方、負荷８ａは、交流１００Ｖ駆動の家庭用一般負荷であり、例えばドライヤー、家庭用ゲーム機又は音楽鑑賞用オーディオシステムなどが挙げられる。

本実施形態において、制御部１０３が各構成要素を制御するための制御信号１０の経路を図１の中で破線により示したが、この制御信号１０の伝送は有線による通信を用いてもよいし、無線通信を用いてもよい。

制御部１０３は、ハードウエアで構成してもよいし、ＣＰＵによりプログラムを実行させることにより機能を実現してもよい。

本実施形態における電圧変換器３ａ〜３ｃ及びインバータ４は制御部１０３により出力電圧の制御を行う旨記載したが、本発明はこれに限定されず、予め決められた出力電圧になるようにセットアップされていてもよい。

本実施形態においては、交流電力出力として、単相交流１００Ｖを負荷接続端子６ｂから出力する構成としているが、業務用の冷蔵庫又はエアコン、工場でのモーター駆動等には三相３線２００Ｖがよく用いられるため、インバータ４に代えて三相２００Ｖに変換するためのインバータ４’を配置してもよい。

本実施形態においては、接続する負荷として日本国内で使用可能な電気機器を想定して記載したが、日本国外で使用可能な電気機器の使用も考慮して適宜変更をなし得る。例えば、インバータ４により交流２２０〜２４０Ｖを出力させ、アジア、オセアニア及びヨーロッパ地域で使用可能な電気機器を接続可能に構成することも可能である。

次に本発明の一実施形態に係る電力制御装置１００が定常運転を行っているときの状態を図２を用いて説明する。図２に示す定常運転状態においては、スイッチ５ｂ，５ｃがオン状態であり、電圧変換器３ａ〜３ｃ及びインバータ４もオン状態である。太線矢印が電力の流れる経路及び方向を示している。電源機器１ａ（太陽電池）及び１ｂ（燃料電池）が共に発電運転をおこない、電圧変換器３ａ，３ｂで電圧変換された直流電力がインバータ４で交流電力に変換され特定負荷８ｂに供給される。また、電圧変換器３ａ，３ｂで電圧変換された直流電力の一部は、電圧変換器３ｃにおいて降圧又は昇圧され、充電量があらかじめ設定された第１の電力量になるまで電源機器１ｃ（蓄電池）に充電される。一般の負荷８ａには、商用電源系統７から電力が供給されるが、スイッチ５ａはオフ状態であり、電力制御装置１００は商用電源系統７からは解列されている。

次に、本発明の一実施形態に係る電力制御装置１００において、燃料電池１ｂをシャットダウンすべき複数の要因のうちの一つが発生した場合に、燃料電池１ｂのシャットダウンを安全に行うための動作について説明する。本実施形態において、燃料電池１ｂをシャットダウンすべき要因として想定しているのは、第１に、電力制御装置１００の少なくとも一部の機能ブロックに異常温度上昇が発生した場合、第２に、利用者が燃料電池停止ボタンを押す等により、停止の操作を実行したとき、そして第３に、ガス漏れ検知対策として例えば月１回、２４時間燃料電池１ｂを自動停止させるとき、などである。

上述の第１の停止要因である、電力制御装置１００の少なくとも一部の機能ブロックに異常温度上昇が発生した場合について説明する。電力制御装置１００内には、インバータ４、電圧変換器３ａ〜３ｃ、制御部内のＣＰＵ（Central Processing Unit）など、動作時に発熱を伴う機能ブロックが複数存在する。また、インバータ４及び電圧変換器３ａ〜３ｃについては、接続される特定負荷８ｂ及び電源機器１ａ〜１ｃの動作状態によってその発熱量が変動する。そこで、電力制御装置１００内において、少なくとも一部の機能ブロックに異常温度上昇が発生した場合には、燃料電池１ｂへの電力供給を行わない電力供給部又は電力制御装置１００に接続された特定負荷８ｂのうち優先度の低い少なくともいずれか一つを停止させる。また、燃料電池１ｂのシャットダウンに必要な電力量を蓄電池１ｃに充電した後に、燃料電池１ｂのシャットダウン動作へと移行し、燃料電池１ｂがシャットダウンを完了するまで、燃料電池１ｂへの電力供給を継続する。

上述の第２の停止要因である、利用者が燃料電池停止ボタンを押す等により停止の操作を実行した場合とは、例えばメンテナンス等の理由で利用者が燃料電池１ｂを手動で停止させる場合などである。このような場合であっても、燃料電池１ｂのシャットダウン途中で停電になったときには、蓄電池１ｃから燃料電池１ｂへ必ず電力供給を行う必要がある。また、燃料電池１ｂの停止中に停電等が発生しても、蓄電池１ｃからの電力供給により優先度の高い特定負荷８ｂの運転が継続できることが望ましい。そこで、必要最低限の電力量としてあらかじめ設定された第１の電力量だけ蓄電池１ｃに充電させてからシャットダウンさせる。

次に上述の第３の停止要因である、ガス漏れ検知対策として例えば月１回、２４時間燃料電池１ｂを自動停止させる場合について説明する。燃料電池１ｂは、供給されるガスの電気化学反応により電気を発生させるが、特に定常運転させる場合は、長時間ほぼ一定量のガスが消費され続けるため、ガス供給会社がガス漏れであると誤判断してガスの供給を止めてしまうことがある。このようなガス漏れ誤検知によるガス供給停止を回避するため、ある種類の燃料電池は、例えば月に１回、２４時間程度意図的に動作を停止させる。このような場合にも、やはり燃料電池１ｂのシャットダウン途中で停電になったときには、蓄電池１ｃから燃料電池１ｂへ必ず電力供給を行う必要がある。また、燃料電池１ｂを意図的に停止させている２４時間の間に停電等が発生しても、蓄電池１ｃからの電力供給により利用者が特定負荷８ｂに電力を供給できることが望ましい。そこで、電力制御装置１００は、前述の第１の電力量よりも大きい第２の電力量だけ蓄電池１ｃに充電させてから燃料電池１ｂをシャットダウンさせる。

次に、本実施形態に係る電力制御装置１００において、燃料電池１ｂのシャットダウンを安全に行うための制御フローについて図３を用いて詳細に説明する。

（異常温度上昇時の制御フロー）
電力制御装置１００内の制御部１０３は、図３において、電源機器１ｂ（燃料電池）を停止すべき要因が存在するか否かを判定する（Ｓ３０１）。このステップＳ３０１における判定は、制御部１０３が、電源機器ごとに設けられた機器停止要因判定フラグを確認することにより行われる。そして燃料電池１ｂについての停止要因がなければ、制御フローは終了するが、停止要因が存在する場合、その要因が異常温度上昇であるか否かを更に判定する（Ｓ３０２）。制御部１０３は、電力制御システム内の各機能ブロックごとに設けられた温度センサからの温度情報を定期的に取得しており、それらの温度情報を基に異常温度上昇の有無を判定する。そして、停止要因が異常温度上昇である場合に、特定負荷８ｂのうち優先度の低い１又は複数の負荷を停止させる（Ｓ３０３）。更に本実施形態においては、スイッチ５ｃをオフ状態にすると共にインバータ４もオフ状態として、オン状態の特定負荷８ｂへの電力を商用電源系統７から供給するように切り替える（Ｓ３０３）。このときの電力制御装置１００の動作状態を図４に示す。これらの制御により、電力制御装置１００内において発熱源となっている電力供給部の一部がオフ状態となり、異常温度上昇を解消させることができる。

本実施形態のステップＳ３０３において、特定負荷８ｂの一部及びインバータ４の双方を停止させるように構成したが、特定負荷８ｂのみを停止させるようにしてもインバータ４における発熱量が低下し、異常温度上昇を解消できる場合がある。また、夜間において電源機器１ａ（太陽電池）からの電力供給が見込めない場合には、ステップＳ３０３において電圧変換器３ａを更にオフ状態とすることにより、電力制御装置１００内における温度上昇を更に抑制ことができる。また、電圧変換器３ａ，３ｂをオフ状態とし、インバータ４をオン状態にして、商用電源系統７から蓄電池１ｃに充電するように構成してもよい。また、燃料電池１ｂの停止要因が異常温度上昇である場合に、ステップＳ３０３においてすぐに負荷等を停止するように構成したが、燃料電池１ｂがシャットダウンに移行した後に負荷等の停止を行うようにしてもよい。

次に制御部１０３は、燃料電池１ｂが発電中であるか否かを判定し（Ｓ３０４）、発電中である場合には、更に蓄電池１ｃに充電されている電力量が燃料電池１ｂのシャットダウンに必要な電力量を上回るかどうかについて判定する（Ｓ３０５）。

以下にその手順の一例を示す。制御部１０３は、燃料電池１ｂのシャットダウンに必要な電力量Ｗ_Ｓ、負荷機器を含む電力制御装置１００がシャットダウン中に消費する電力量Ｗ_Ｌ、及びシャットダウン中に他の電源機器（太陽電池１ａ，蓄電池１ｃ）から供給可能な電力量Ｗ_Ｐを算出する。そして、算出されたＷ_Ｓ，Ｗ_Ｌ及びＷ_Ｐが式（１）の関係を満たすか否かの判定を行う（Ｓ３０５）。

Ｗ_Ｐ − Ｗ_Ｌ＞Ｗ_Ｓ式（１）

ここで式（１）は、他の電源機器から供給可能な電力量Ｗ_Ｐから、負荷を含む電力制御装置１００の消費電力量Ｗ_Ｌを差し引いても、なお燃料電池１ｂのシャットダウンに必要な電力量Ｗ_Ｓを賄うことができることを意味する。式（１）におけるＷ_Ｌは、特定負荷８ｂ及びインバータ４等の電力供給部の消費電力量も含むものとし、各電源機器及び各負荷のオン／オフ状態に対応した値を適用するものとする。

制御部１０３は、式（１）を満たすか否かを判定し、式（１）を満たさないと判定すると、蓄電池１ｃに対して更に充電を行い、式（１）を満たすまで継続する。

制御部１０３は、蓄電池１ｃの充電量が式（１）を満たすと判定すると、次に燃料電池１ｂのシャットダウン動作を開始する（Ｓ３０６）。燃料電池１ｂのシャットダウン動作は、先述のように発電セルに割れが生じないように外部から電力を供給し、十分に時間をかけて冷却を行なう。燃料電池１ｂのシャットダウン開始後の電力制御装置１００の動作状態を図５に示す。図５において、燃料電池１ｂのシャットダウン時の電力は、太陽電池１ａ及び蓄電池１ｃから供給されるように記載しているが、どちらか一方のみから供給されるように構成してもよいし、商用電源系統７から供給されるように構成してもよい。

次に制御部１０３は、シャットダウン動作が完了したか否かの判定を行う（Ｓ３０７）。この判定には、後述するように例えば燃料電池１ｂにシャットダウン電力を供給する電圧変換器３ｂを流れる電流の方向等の情報を用いることができる。

制御部１０３は、燃料電池１ｂのシャットダウンが完了したと判定した場合に、異常温度上昇が解消しているか否かを更に判定する（Ｓ３１１）。異常温度上昇が解消している場合には、ステップＳ３０３で実行した特定負荷８ｂの一部停止の解除を行う（Ｓ３１２）。電力供給停止を回避すべき燃料電池１ｂのシャットダウン動作が完了したため、本来は継続して動作させるべき特定負荷８ｂを全て動作状態に戻すためである。ステップＳ３０３が実行されていない場合には、このステップＳ３１２は実行されない。

制御部１０３は、ステップＳ３１１において異常温度上昇が十分に余裕をもって解消されていると判定すると、ステップＳ３０３におけるインバータ４の停止を含む全ての停止を、ステップＳ３１２において同時に解除する。

制御部１０３は、ステップＳ３０４において、燃料電池１ｂの動作モードが発電中ではないと判定すると、次に燃料電池１ｂがシャットダウン中であるか否かを判定する（Ｓ３０８）。そして制御部１０３は、燃料電池１ｂがシャットダウン中であると判定すると、次にシャットダウンが完了しているか否かの判定に移行する（Ｓ３０７）。以降の制御フローは、燃料電池１ｂが発電中であった場合と同様である。

制御部１０３は、ステップＳ３０８において、燃料電池１ｂの動作モードがシャットダウン中ではないと判定すると、次に燃料電池１ｂが起動中であるか否かを判定する（Ｓ３０９）。そして制御部１０３は、燃料電池１ｂが起動中であると判定すると、燃料電池１ｂを停止させるための処理を行う（Ｓ３１０）。そして制御部１０３は、燃料電池１ｂを停止させた後、電力制御装置１００の異常温度上昇が解消されているか否かを判定する（Ｓ３１１）。それ以降の制御フローは、燃料電池１ｂの動作モードが発電中であったときと同様である。

ところで、上述の制御フローのステップＳ３０４，Ｓ３０８，Ｓ３０９，Ｓ３０７において、制御部１０３は、燃料電池１ｂの動作モードの判定を行っているが、その判定方法について説明する。この判定は、図１における燃料電池管理部１０４が電圧変換器３ｂにおける電流の流れる方向を電流センサで監視し、その結果を制御部１０３に適宜送信することにより行われる。図６は、横軸を時間軸とし、縦軸に燃料電池１ｂからインバータ４に電流が流れる方向を正としたときの、電圧変換器３ｂを流れる電流を示す。図６において燃料電池１ｂの停止状態（Ｔ１）では、電圧変換器３ｂを流れる電流はゼロであるが、起動状態（Ｔ２）になると、燃料電池１ｂは外部から電力の供給を受けて（すなわち図６で負の電流が流れる）セルの温度を上昇させる。そして、セル温度が所定の温度に達して発電可能な状態になると、燃料電池１ｂは発電を開始する（Ｔ３）。次に燃料電池１ｂは、例えば保守・点検等の事情で発電を停止させる際には、前述の理由によりシャットダウンモードに移行する（Ｔ４）。ここでは、上述のようにセル温度を徐々に冷却するために、外部から電力の供給を受けて一定時間をかけてシャットダウンを完了する。シャットダウンが完了すると、電圧変換器３ｂを流れる電流はゼロとなる（Ｔ５）。

制御部１０３は、電圧変換器３ｂを流れる電流の方向に関する情報を燃料電池管理部１０４経由で取得する。制御部１０３は、図６の電流特性を利用して、電流が負から正へと切り替わった時点から正の電流を検出し続ける限りにおいて発電中であると判定する。また、電流が正から負に切り替わった時点から、負の電流を検出し続ける限りにおいてシャットダウン中であると判定する。更に、シャットダウン中を検出した後に電流が継続してゼロになった時点で燃料電池１ｂが停止したと判定する。そして、電流がゼロの状態から負の電流へと変化し、負の電流を検出し続ける限りにおいて燃料電池１ｂが起動中であると判定する。

（利用者による手動停止時の制御フロー）
電力制御装置１００内の制御部１０３は、図３において、燃料電池１ｂを停止すべき要因があるがそれが異常温度上昇ではないと判定した場合、その要因が利用者による手動停止であるか否かを判定する（Ｓ３１３）。利用者による手動停止とは、燃料電池１ｂのメンテナンス等の目的で利用者が停止ボタンを押す等の操作を行うことにより実行される停止動作をいう。制御部１０３は、燃料電池１ｂを停止すべき要因が利用者による手動停止であると判定した場合、次に燃料電池１ｂが発電中であるか否かを判定する（Ｓ３１４）。この判定においても、制御部１０３はステップＳ３０４と同様に図６の電流特性を用いて発電中であるか否かの判定を行う。

制御部１０３は、ステップＳ３１４において燃料電池１ｂが発電中であると判定すると、蓄電池１ｃの充電量があらかじめ決められた第１の充電量以上であるか否かを判定する（Ｓ３１５）。ここでいう第１の充電量とは、例えば利用者が停電等の非常時においても必ず使用したい特定負荷８ｂの消費電力と平均的な停電時間等から算出された、電力制御装置１００のシャットダウン時に最低限蓄電池１ｃ内に確保しておくべき電力量と、燃料電池１ｂのシャットダウン動作に必要な電力量の和である。一方、ステップＳ３１４において燃料電池１ｂが発電中でないと判定すると、次に制御部１０３は、燃料電池１ｂがシャットダウン中であるか否かを判定する（Ｓ３０８）。それ以降の制御フローは、燃料電池１ｂを停止すべき要因が異常温度上昇であった場合と同様である。

制御部１０３は、ステップＳ３１５において蓄電池１ｃ内の電力量が第１の充電量以上でないと判定すると、蓄電池１ｃに充電を行う。図７には、蓄電池１ｃ内の利用可能な電力量が第１の充電量以上で無い場合の充電処理時の動作状態を示す。一般的な負荷８ａ及び特定負荷８ｂには、商用電源系統７から電力の供給を行い、蓄電池１ｃには、燃料電池１ｂにおいて発電された電力を供給する。この充電処理は、蓄電池１ｃ内の電力量が第１の充電量以上になるまで継続される。一方、制御部１０３は、ステップＳ３１５において蓄電池１ｃ内の電力量が第１の充電量以上であると判定すると、燃料電池１ｂのシャットダウンを開始する（Ｓ３０６）。それ以降の制御フローは、燃料電池１ｂを停止すべき要因が異常温度上昇であった場合と同様である。

本実施形態において、第１の充電量は、燃料電池１ｂのシャットダウンに必要な電力量に対して十分に余裕のある電力量であり、蓄電池１ｃが放電可能な電力量として第１の充電量以上の電力量を確保しておけば、燃料電池１ｂのシャットダウンを安全に行うことが可能である。

ステップＳ３１５において、燃料電池１ｂで発電された電力を蓄電池１ｃに充電するように動作させているが、太陽電池１ａ又は商用電源系統７からの電力を使って充電するように構成してもよい。

（定期的な自動停止時の制御フロー）
電力制御装置１００内の制御部１０３は、図３のステップＳ３１３において、燃料電池１ｂを停止すべき要因があるがそれが利用者による手動停止ではないと判定した場合、その停止要因は、定期的な自動停止であると認識し、燃料電池１ｂが発電中であるか否かを判定する（Ｓ３１６）。この判定においても制御部１０３は、ステップＳ３０４と同様に図６の電流特性を用いて発電中であるか否かの判定を行う。

制御部１０３は、ステップＳ３１６において燃料電池１ｂが発電中であると判定すると、蓄電池１ｃの充電量があらかじめ決められた第２の充電量以上であるか否かを判定する（Ｓ３１７）。ここでいう第２の充電量とは、例えばガス漏れ対策としての燃料電池１ｂの定期的な２４時間自動停止時においても、利用者が必ず使用したい特定負荷８ｂの消費電力等から算出された、燃料電池１ｂのシャットダウン後に蓄電池１ｃ内に確保しておくべき電力量と、燃料電池１ｂのシャットダウン動作に必要な電力量の和である。一方、ステップＳ３１６において燃料電池１ｂが発電中でないと判定すると、次に制御部１０３は、燃料電池１ｂがシャットダウン中であるか否かを判定する（Ｓ３０８）。それ以降の制御フローは、燃料電池１ｂを停止すべき要因が異常温度上昇であった場合と同様である。

制御部１０３は、ステップＳ３１７において蓄電池１ｃ内の電力量が第２の充電量以上でないと判定すると、蓄電池１ｃに充電を行う。この場合の充電処理は、利用者による燃料電池１ｂの手動停止時と同様に行われ、例えば図７のように一般的な負荷８ａ及び特定負荷８ｂには、商用電源系統７から電力の供給を行い、蓄電池１ｃには、燃料電池１ｂからの電力を供給することにより行う。この充電は、蓄電池１ｃ内の電力量が第２の充電量以上になるまで継続される。一方、制御部１０３は、ステップＳ３１７において蓄電池１ｃ内の電力量が第２の充電量以上であると判定すると、燃料電池１ｂのシャットダウンを開始する（Ｓ３０６）。それ以降の制御フローは、燃料電池１ｂを停止すべき要因が異常温度上昇であった場合と同様である。

本実施形態において、第２の充電量は、第１の充電量よりも大きいため、燃料電池１ｂのシャットダウンに必要な電力量に対して十分に余裕のある電力量であり、蓄電池１ｃが放電可能な電力量として第２の充電量以上の電力量を確保しておけば、燃料電池１ｂのシャットダウンを安全に行うことが可能である。

以上のように、本発明の一実施形態によれば、燃料電池を停止すべき要因が発生しても、シャットダウン中の燃料電池に対して、少なくとも蓄電池から優先的に電力が供給され続けるので、燃料電池スタックに損傷を与えることなく、燃料電池を安全に停止させることができる。

また、本発明の一実施形態によれば、電力制御装置の異常温度上昇が発生しても、装置内の温度上昇を抑えつつ、シャットダウン中の燃料電池に対して、少なくとも蓄電池から優先的に電力が供給され続けるので、燃料電池スタックに損傷を与えることなく、燃料電池を安全に停止させることができる。

また、本発明の一実施形態によれば、利用者による燃料電池の手動停止操作が発生しても、シャットダウン中の燃料電池に対して、少なくとも蓄電池から優先的に電力が供給され続けるので、燃料電池スタックに損傷を与えることなく、燃料電池を安全に停止させることができる。また、燃料電池の停止後に停電等の障害が発生しても、利用者が必ず使用したい特定負荷への電力供給を行うことができる。

また、本発明の一実施形態によれば、ガス漏れ検知対策としての定期的な燃料電池の自動停止が発生しても、シャットダウン中の燃料電池に対して、少なくとも蓄電池から優先的に電力が供給され続けるので、燃料電池スタックに損傷を与えることなく、燃料電池を安全に停止させることができる。また、燃料電池の停止後に停電等の障害が発生しても、停止期間の間、利用者が必ず使用したい特定負荷への電力供給を行うことができる。

本実施形態において、燃料電池１ｂを停止すべき要因として３つの要因を想定して制御フローを構成したが、本発明はこの構成には限定されない。異常温度上昇以外の異常発生を含めて図３のステップＳ３０２を構成してもよいし、異常の種類ごとにステップＳ３０２とは異なるステップを実行するように構成してもよい。

以上、本発明を諸図面及び実施例に基づき説明してきたが、当業者であれば本開示に基づき種々の変形又は修正を行うことが容易であることに注意されたい。従って、これらの変形又は修正は本発明の範囲に含まれることに留意されたい。例えば、各部材、各手段、各ステップなどに含まれる機能などは論理的に矛盾しないように再配置可能であり、複数の手段又はステップなどを１つに組み合わせたり、或いは分割したりすることが可能である。

１ａ電源機器（太陽電池）
１ｂ電源機器（燃料電池）
１ｃ電源機器（蓄電池）
２ａ〜２ｃ電源機器接続端子
３ａ〜３ｃ電圧変換器
４インバータ
５ａ〜５ｃスイッチ
６ａ系統接続端子
６ｂ負荷接続端子
７商用電源系統
８ａ負荷
８ｂ特定負荷
１０制御信号
１００電力制御装置
１０１電源機器接続部
１０２負荷接続部
１０３制御部
１０４燃料電池管理部

Claims

燃料電池と蓄電池とを含む複数の分散電源と、系統とを接続可能な電力制御装置であって、
前記複数の分散電源がそれぞれ接続されて電力供給を行うことが可能な複数の電力供給部と、
前記燃料電池のシャットダウン中に、前記燃料電池を除く前記分散電源、又は前記系統のうち少なくとも一つから前記燃料電池に対して、シャットダウン完了まで電力供給を継続させる制御部と
を備えることを特徴とする電力制御装置。
前記制御部は、
前記燃料電池を停止させるべき要因が有ると判定し、かつ前記燃料電池の動作モードが発電中の場合には、前記蓄電池に充電させる充電処理を行う、請求項１に記載の電力制御装置。
前記制御部は、
前記燃料電池を停止させるべき要因の種類を判定し、前記充電処理を行う際に前記要因の種類に対応した充電量を超えるように前記蓄電池に充電させる、請求項２に記載の電力制御装置。
前記要因は、前記電力制御装置の温度異常検出であることを特徴とする請求項２または３に記載の電力制御装置。
前記制御部は、前記要因が生じた場合に、前記燃料電池への電力供給を行わない前記電力供給部又は前記電力制御装置に接続された負荷のうち少なくともいずれか一つを停止させる停止処理を行う、請求項４に記載の電力制御装置。
前記制御部は、前記燃料電池のシャットダウンが完了し、且つ前記温度異常検出が解消した後に、前記停止処理の少なくとも一部を解除する、請求項５に記載の電力制御装置。
前記充電処理において、前記制御部は、前記燃料電池のシャットダウン完了に必要な電力量を、前記蓄電池を除く前記分散電源又は前記系統から前記蓄電池に充電させる、請求項２乃至６のいずれか一項に記載の電力制御装置。
前記要因は、利用者等によって行われる前記燃料電池の停止操作であって、
前記制御部は、前記蓄電池を除く前記分散電源又は前記系統から前記蓄電池にあらかじめ設定された第１の充電量を充電させる前記充電処理を行う、請求項２または３に記載の電力制御装置。
前記要因は、定期的に自動で行われる前記燃料電池の停止であって、
前記制御部は、前記蓄電池を除く前記分散電源又は前記系統から前記蓄電池に対し、前記要因が利用者等によって行われる前記燃料電池の停止操作であった場合における第１の充電量よりも多い第２の充電量を充電させる前記充電処理を行う、請求項２または３に記載の電力制御装置。
前記制御部は、前記燃料電池への電力供給を行う電力供給部を流れる電流の方向により、前記燃料電池が発電中か否かの判定を行う、請求項１乃至９のいずれか一項に記載の電力制御装置。
前記燃料電池は、固体酸化物形燃料電池である、請求項１乃至１０のいずれか一項に記載の電力制御装置。
燃料電池と蓄電池とを含む複数の分散電源と、系統とを接続可能な電力制御装置の制御方法であって、前記電力制御装置による処理手順は、
前記燃料電池の動作モードを判定する燃料電池動作判定ステップと、
前記燃料電池動作判定ステップにおいて前記燃料電池がシャットダウン中であると判定した場合に、前記燃料電池を除く前記分散電源、又は前記系統のうち少なくとも一つから前記燃料電池に対して、シャットダウンを完了するまで電力供給を継続させるシャットダウン電力供給ステップとを含むことを特徴とする電力制御装置の制御方法。
燃料電池と蓄電池とを含む複数の分散電源と、系統とを接続可能な電力制御装置に、
前記燃料電池の動作モードを判定する燃料電池動作判定ステップと、
前記燃料電池動作判定ステップにおいて前記燃料電池がシャットダウン中であると判定した場合に、前記燃料電池を除く前記分散電源、又は前記系統のうち少なくとも一つから前記燃料電池に対して、シャットダウンを完了するまで電力供給を継続させるシャットダウン電力供給ステップとを実行させることを特徴とする電力制御装置の制御プログラム。