JP2018137111A - 燃料電池システム及び電力システム - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池システムのコストを抑制するのに適しており、かつ、停電中に燃料電池を起動させるのに必要な電力を補機に供給できない事態を回避するのに適した技術を提供する。
【解決手段】第１接続部２７ａ及び第２接続部２７ｂは互いに着脱自在である。第１接続部２７ａを第２接続部２７ｂに接続することによって、商用電源３００から補機１２に電力を供給することが可能となる。第１接続部２７ａを補助電源装置２３に含まれた第３接続部２７ｃに接続することによって、補助電源装置２３から補機１２に電力を供給することが可能となる。商用電源３００の復電時又は商用電源３００が復電してから所定時間経過後において第１接続部２７ａと第３接続部２７ｃとが接続されていると制御部１６が判定した場合に、燃料電池システム１００は（ｉ）所定の報知を行う及び／又は（ii）燃料電池１０の起動を禁止する。
【選択図】図１

Description

本開示は、燃料電池システム及び電力システムに関する。

近年、分散型発電装置で生成された電力と電気事業者の商用電源（系統電源）の電力とを組み合わせて電力消費を賄うように構成された分散型の電力供給システムが注目されている。また、分散型発電装置は、商用電源から自立した電源として運転させることができるため、災害発生時などにおいて商用電源が途絶えた場合の非常用電源として使用できる。

燃料電池は、自立運転が可能な分散型電源装置の１つとして有用である。ただし、燃料電池は、ポンプ、ブロワ、弁などの補機を動作させるための電力を起動時にも必要とする。したがって、燃料電池は、通常、商用電源から電力を得て起動する。しかし、この方法によれば、商用電源の停電時に燃料電池を起動させることができない。そこで、商用電源の停電時にも燃料電池を起動させることができるように、予備の電源を利用することが知られている。

例えば、特許文献１の燃料電池システムは、商用電源の停電時に燃料電池を起動させるための自立運転支援装置に接続されている。商用電源の停電時において、自立運転支援装置から燃料電池の補機に電力が供給される。特許文献１の燃料電池システムでは、このようにして、停電中に燃料電池を起動させるのに必要な電力を補機に供給できない事態を回避しようとしている。

特開２００８−２２６５０号公報

特許文献１では、燃料電池システムのコストを抑制することについて十分には検討されていない。本開示は、燃料電池システムのコストを抑制するのに適しており、かつ、停電中に燃料電池を起動させるのに必要な電力を補機に供給できない事態を回避するのに適した技術を提供することを目的とする。

本開示は、
補助電源装置から電力が供給されうる燃料電池システムであって、
燃料電池と、
前記燃料電池の運転に必要な動作を実行可能である補機と、
第１ラインと第２ラインとを有する給電ラインと、
制御部と、を備え、
前記第１ラインには、前記補機に供給する電力が入力される第１接続部が設けられており、
前記第２ラインには、商用電源から供給される電力が出力される第２接続部が設けられており、
前記第１接続部及び前記第２接続部は互いに着脱自在であり、
前記第１接続部を前記第２接続部に接続することによって、前記商用電源から前記補機に電力を供給することが可能となり、
前記第１接続部を前記補助電源装置に含まれた第３接続部に接続することによって、前記補助電源装置から前記補機に電力を供給することが可能となり、
前記商用電源の復電時又は前記商用電源が復電してから所定時間経過後において前記第１接続部と前記第３接続部とが接続されていると前記制御部が判定した場合に、前記燃料電池システムは（ｉ）所定の報知を行う及び／又は（ii）前記燃料電池の起動を禁止する、燃料電池システムを提供する。

本開示の技術は、燃料電池システムのコストを抑制しつつ、停電中に燃料電池を起動させるのに必要な電力を補機に供給できない事態を回避するのに適している。

図１は、本開示の一実施形態にかかる燃料電池システムの構成図である。 図２は、本開示の一実施形態にかかる燃料電池システムの通常運転時の構成図である。 図３は、燃料電池の運転停止時における図１に示す燃料電池システムの構成図である。 図４は、商用電源の停電時かつ燃料電池の起動時における図１に示す燃料電池システムの構成図である。 図５は、商用電源の停電時かつ燃料電池の起動後における図１に示す燃料電池システムの構成図である。 図６Ａは、制御部において実行される停電処理のフローチャートである。 図６Ｂは、制御部において実行される停止中停電処理フローチャートである。 図７は、分電盤における接続を示す回路図である。

（本発明者らによる知見）
補助電源装置から燃料電池システムに電力を供給できるようにすると、商用電源の停電時において、補助電源装置からの電力供給によって、燃料電池を起動するのに必要な電力を補機に与えることが可能となる。本発明者らは、補助電源装置からの電力供給が可能な燃料電池システムを、燃料電池システムのコストを抑えつつ実現したいと考えた。本発明者らは、鋭意検討により、補機への電力供給元を商用電源とするか補助電源装置とするかを手動で変更する構成を採用することが、コスト抑制に繋がることを見出した。

上記構成においては、停電発生時に燃料電池が運転を停止している場合、燃料電池システムのユーザーが、補機への電力供給元を補助電源装置に変更することが考えられる。このようにすると、補助電源装置の電力により補機を動作させることが可能となり、燃料電池を起動させることが可能となる。そして、燃料電池の起動後には、ユーザーが、電力供給元を商用電源に戻すことが考えられる。このようにすると、停電解消後（復電後）において燃料電池の運転を停止し、再度起動が必要なときに商用電源から補機に電力が供給されている状態で燃料電池を再起動させることが可能となる。

ただし、電力供給元を手動で変更する構成では、以下の問題が生じうる。すなわち、燃料電池システムのユーザーが、停電中に燃料電池が起動した後に補機への電力供給元を商用電源に戻すのを忘れ、商用電源の復電時においても補機への電力供給元が補助電源装置のままの状態にされ、この状態で燃料電池が再起動されることがありうる。この場合、再起動により、本来であれば停電時に利用するべき補助電源装置の電力が不必要に消費されてしまう。この不必要な電力消費は、後の停電時において、燃料電池を起動させるのに必要な電力を補助電源装置から補機に供給できないという事態を招きうる。このため、電力供給元を手動で変更する構成を採用する場合、このような事態を避けるための工夫を講じることが望ましい。

本発明者らは、以上を総合考慮し、本開示に係る技術を見出すに至った。

本開示の第１態様は、
補助電源装置から電力が供給されうる燃料電池システムであって、
燃料電池と、
前記燃料電池の運転に必要な動作を実行可能である補機と、
第１ラインと第２ラインとを有する給電ラインと、
制御部と、を備え、
前記第１ラインには、前記補機に供給する電力が入力される第１接続部が設けられており、
前記第２ラインには、商用電源から供給される電力が出力される第２接続部が設けられており、
前記第１接続部及び前記第２接続部は互いに着脱自在であり、
前記第１接続部を前記第２接続部に接続することによって、前記商用電源から前記補機に電力を供給することが可能となり、
前記第１接続部を前記補助電源装置に含まれた第３接続部に接続することによって、前記補助電源装置から前記補機に電力を供給することが可能となり、
前記商用電源の復電時又は前記商用電源が復電してから所定時間経過後において前記第１接続部と前記第３接続部とが接続されていると前記制御部が判定した場合に、前記燃料電池システムは（ｉ）所定の報知を行う及び／又は（ii）前記燃料電池の起動を禁止する、燃料電池システムを提供する。

第１接続部及び第２接続部が互いに着脱自在であれば、補機への電力供給元を商用電源とするか補助電源装置とするかを手動で変更する構成を実現し易い。上述のとおり、この構成は、燃料電池システムのコスト抑制に繋がる。

第１態様の燃料電池システムは、商用電源が復電してから所定時間経過後において補助電源装置と補機とが電気的に接続されていることが疑われる場合に、（ｉ）所定の報知を行う、及び／又は、（ii）燃料電池の起動を禁止することができる。（ｉ）の報知は、燃料電池システムのユーザーに、第１接続部の接続先を第２接続部に戻す契機を与える。ユーザーが第１接続部の接続先を第２接続部に戻すことにより、本来であれば停電時に利用するべき補助電源装置の電力が不必要に消費される事態が回避され、後の停電時において、燃料電池を起動させるのに必要な電力を補助電源装置から補機に供給できないという事態が回避される。（ii）によっても、そのような不必要な電力消費が回避されるため、同様の効果が得られる。

以上の理由で、第１態様の技術は、燃料電池システムのコストを抑制しつつ、停電中に燃料電池を起動させるのに必要な電力を補機に供給できない事態を回避するのに適している。

本開示の第２態様は、第１態様に加え、
前記第２ラインは、前記商用電源から引き込まれた２本の電線と、前記２本の電線から前記商用電源の電力が供給される第１系統電源と、を介して、前記商用電源の電力が供給されるように構成されており、
前記燃料電池システムは、前記２本の電線の一方における前記第１系統電源への接続ポイントと前記商用電源との間の位置に設けられた第１検出器と、前記補助電源装置及び前記商用電源のいずれか一方から前記第１接続部を経由して電力が供給されうる位置に設けられた負荷と、を備え、
前記制御部は、前記負荷の出力を変化させ、前記第１検出器の検出値の変化が所定範囲内であるときに、前記第１接続部と前記第３接続部とが接続されていると判定する、燃料電池システムを提供する。

第１接続部と第３接続部とが接続されているときは、第１接続部と第２接続部とは接続されていないことになる。第１接続部と第２接続部とが接続されていない場合には、第２態様で規定する位置にある負荷の出力を変化させても、第１検出器の検出値が大幅に変化することはない。このため、第１検出器の検出値の変化が所定範囲内であれば、第１接続部と第２接続部とは接続されておらず、第１接続部と第３接続部とが接続されていると推測することができる。第２態様によれば、このような推定に基づいて、第１接続部と第３接続部とが接続されていると判定することができる。

本開示の第３態様は、第２態様に加え、
（ｉ）前記負荷は、前記補機である、又は、
（ii）前記燃料電池システムは、水を加熱して湯を供給するバックアップ熱源を備え、前記負荷は、前記バックアップ熱源である、燃料電池システムを提供する。

第３態様の負荷（補機又はバックアップ熱源）は、第２態様の判定に利用可能な負荷の具体例である。

本開示の第４態様は、第２態様又は第３態様に加え、
前記第１検出器は、電流計であり、
前記検出値は、電流値である、燃料電池システムを提供する。

第４態様の第１検出器（電流計）及び検出値（電流値）は、第２態様の判定に利用可能な検出器及び検出値の具体例である。

本開示の第５態様は、第１〜第４態様のいずれか一つに加え、
前記第１接続部は、差込プラグであり、
前記第２接続部は、前記差込プラグが差込まれるプラグ受けである、燃料電池システムを提供する。

第５態様の第１接続部及び第２接続部は、互いに着脱自在な第１接続部及び第２接続部の具体例である。また、補助電源装置には、第３接続部としてプラグ受けを有しているものが数多く存在する。したがって、第５態様によれば、多くの補助電源装置と第１接続部とを着脱自在に接続することが可能となる。すなわち、第５態様によれば、補機への電力供給元を商用電源とするか補助電源装置とするかを手動で変更する構成を実現するに当たり、補助電源装置の選択肢を広げることができる。

本開示の第６態様は、
第１〜第５態様のいずれか一つの燃料電池システムと、前記補助電源装置と、を備え、
前記第１接続部及び前記第３接続部は互いに着脱自在である、電力システムを提供する。

第６態様では、第１接続部及び第３接続部が互いに着脱自在である。このため、第６態様によれば、補機への電力供給元を商用電源とするか補助電源装置とするかを手動で変更する構成を実現し易い。

本開示の第７態様は、第６態様のいずれか一つに加え、
前記第１接続部は、差込プラグであり、
前記第２接続部は、前記差込プラグが差込まれるプラグ受けであり、
前記第３接続部は、前記差込プラグが差込まれるプラグ受けである、電力システムを提供する。

第７態様の第１接続部、第２接続部及び第３接続部は、第１接続部及び第２接続部を互いに着脱可能としつつ第１接続部及び第３接続部を互いに着脱可能とする場合の第１接続部、第２接続部及び第３接続部の具体例である。

以下、本開示の実施形態について、図面を参照しながら説明する。本開示は、以下の実施形態に限定されない。

図１に示すように、本実施形態の電源システムは、燃料電池システム１００と、補助電源装置２３と、を備えている。燃料電池システム１００には、商用電源３００からも、補助電源装置２３からも、電力が供給されうる。

燃料電池システム１００は、燃料電池１０及び補機１２を備えている。燃料電池システム１００は、さらに、給電ライン２６及び発電電力ライン２８を備えている。給電ライン２６は、発電電力ライン２８とは異なる回路線である。具体的には、給電ライン２６は、商用電源３００と補機１２とを接続して商用電源３００の電力を補機１２に供給することができる回路線である。発電電力ライン２８は、燃料電池１０で生成された電力を必要な場所（例えば、家庭内）に供給することができる回路線である。また、発電電力ライン２８は、燃料電池システム１００を商用電源３００と系統連系させることができる回路線である。発電電力ライン２８は、燃料電池１０で生成された電力を商用電源３００に逆潮流させるとき（電気事業者に売電するとき）に使用されてもよい。本実施形態では、給電ライン２６には１００Ｖの交流電力（第１の電圧の交流電力）が流れる。燃料電池１０の運転時において、発電電力ライン２８には２００Ｖの交流電力（第１の電圧よりも高い第２の電圧の交流電力）が流れる。商用電源３００の停電時において、発電電力ライン２８の一部には１００Ｖの交流電力が流れる。補助電源装置２３は、給電ライン２６に接続されうる。燃料電池システム１００では、発電電力ライン２８の電圧にマッチしない電圧の電力を補助電源装置２３から給電ライン２６に供給することが可能である。また、補助電源装置２３は、分電盤５０を経由することなく、補機１２に直接的に電力を供給することができる。なお、本明細書において、交流電圧は実効値で表示されている。

給電ライン２６は、第１ライン２６ａと第２ライン２６ｂとを有している。第１ライン２６ａには、補機１２に供給する電力が入力される第１接続部２７ａが設けられている。第２ライン２６ｂには、商用電源３００から供給される電力が出力される第２接続部２７ｂが設けられている。第１接続部２７ａ及び第２接続部２７ｂは互いに着脱自在である。第２接続部２７ｂに第１接続部２７ａを接続することによって、商用電源３００から（第１接続部２７ａを経由して）補機１２に電力を供給することが可能となる。補助電源装置２３に含まれた第３接続部２７ｃに第１接続部２７ａを接続することによって、補助電源装置２３から（第１接続部２７ａを経由して）補機１２に電力を供給することが可能となる。

本実施形態では、第１接続部２７ａは、差込プラグである。第２接続部２７ｂは、差込プラグが差込まれるプラグ受けである。第３接続部２７ｃは、差込プラグが差込まれるプラグ受けである。補助電源装置には、プラグ受けを有しているものが数多く存在する（後述のように、補助電源装置はアダプタを含みうる要素であることとする）。したがって、第１接続部２７ａを差込プラグとすることにより、補助電源装置２３として採用可能な補助電源装置の選択肢を広げることができる。具体的には、第２接続部２７ｂは、コンセントである。第３接続部２７ｃは、コンセントである。第２接続部２７ｂを構成するコンセントは、例えば屋外コンセントである。ただし、このコンセントは屋内コンセントであってもよい。第１系統電源３４４から供給される電力を出力可能なプラグ受け（コンセント）は、多くの施設（家庭、事業所など）に存在する。このため、本実施形態には、第２接続部２７ｂの新設工事不要で燃料電池システム１００を構築できる場合が多いというメリットがある。すなわち、コストメリットが得られ易い。

燃料電池１０は、燃料供給源から供給された燃料を消費して直流電力を生成する。燃料供給源の例としては、都市ガス設備、水素貯蔵設備などが挙げられる。燃料の例としては、炭化水素ガス、水素ガス、アルコールなどが挙げられる。

補機１２は、燃料電池１０の運転に必要な動作を実行する機器類である。補機１２の例としては、ポンプ、ブロワ、弁、流量計、圧力計などが挙げられる。燃料電池１０を起動させる必要があるとき、補機１２は、商用電源３００又は補助電源装置２３から電力供給によって燃料電池１０の運転に必要な動作を実行する。燃料電池１０の起動後、燃料電池１０で生成された直流電力が補機１２に供給される。図１では、燃料電池１０から補機１２に電力を供給するための回路は省略されている。

補助電源装置２３は、１００Ｖの交流電源装置でありうる。詳細には、補助電源装置２３は、交流発電機、バッテリなどの非常用電源を含んでいる。バッテリは、自動車のバッテリであってもよい。本実施形態によれば、一定の要件さえ満たせば、補助電源装置２３用の電源として様々な電源を使用することができる。補助電源装置２３用の電源として１００Ｖａｃの汎用の電源を使用できるし、補助電源装置２３用の電源の出力電圧に厳格な公差も要求されない。これらのことは、電力システムの全体のコストを大幅に下げることにつながる。補助電源装置２３は、第３接続部２７ｃを含んでおり、第３接続部２７ｃは第１接続部２７ａと着脱自在である。本実施形態では、補助電源装置２３の非常用電源が第３接続部２７ｃを含んでいる。ただし、補助電源装置２３が非常用電源と該非常用電源に接続されたアダプタを含んでおり、該アダプタが第３接続部２７ｃを含んでいてもよい。その他、補助電源装置２３は、ケーブルなどの付属部品を含んでいてもよい。

本実施形態では、手動で（手作業で）第１接続部２７ａの接続先を第２接続部２７ｂから第３接続部２７ｃに変更したり第３接続部２７ｃから第２接続部２７ｂに変更したりすることができる。第１接続部２７ａと第２接続部２７ｂとが着脱自在であり第１接続部２７ａと第３接続部２７ｃとが着脱自在であることにより、第１接続部２７ａの接続先の手動変更が容易となっている。

燃料電池システム１００は、商用電源３００に接続され、商用電源３００と系統連系することができるように構成されている。本実施形態では、燃料電池システム１００は、第１系統電源３４４及び第２系統電源３４６に接続されている。詳細には、給電ライン２６（詳細には、第２ライン２６ｂ）が第１系統電源３４４に接続され、発電電力ライン２８が第２系統電源３４６に接続されている。第１系統電源３４４は、１００Ｖａｃの電源である。第２系統電源３４６は、２００Ｖａｃの電源である。本実施形態では、図７に示すように、第１系統電源３４４及び第２系統電源３４６は、分電盤５０において、商用電源３００と、一般家庭に引き込まれた単相３線の電力線３０５と、を利用して構成されている。図７に示すように、単相３線の電力線３０５は、電線３０５Ｕ、電線３０５Ｗ及び電線３０５Ｏを有している。電線３０５Ｕ及び３０５Ｗは、非接地線である。電線３０５Ｏは、接地線である。燃料電池１０で電力が生成されているとき、燃料電池１０の電力が発電電力ライン２８及び分電盤５０を経由して給電ライン２６に供給される。燃料電池１０が停止しているとき、第１系統電源３４４の電力が給電ライン２６に供給される。

燃料電池システム１００は、電力だけでなく、湯を供給することもできるコジェネレーションシステムとして構成されていてもよい。この場合、燃料電池１０の熱によって生成された湯が貯湯タンク（図示省略）に蓄えられる。貯湯タンクの湯は、蛇口、風呂、温水暖房設備などに供給される。

燃料電池システム１００は、さらに、ＤＣ／ＡＣコンバータ（電力変換回路）１４及びＡＣ／ＤＣコンバータ（電力変換回路）１８を備えている。燃料電池１０で生成された直流電力は、ＤＣ／ＡＣコンバータ１４において所定の電圧（例えば、２００Ｖ又は１００Ｖ）の交流電力に変換される。第１系統電源３４４又は補助電源装置２３から補機１２に供給されるべき電力は、ＡＣ／ＤＣコンバータ１８において交流電力から所定の電圧（例えば、２４Ｖ）の直流電力に変換される。

燃料電池システム１００は、さらに、バックアップボイラ２２を備えている。バックアップボイラ２２は、いわゆる瞬間湯沸かし器であり、燃料電池１０と同じく都市ガス設備から燃料の供給を受ける。バックアップボイラ２２は、バックアップ熱源の一例である。バックアップ熱源としては、バックアップボイラ２２の他、抵抗加熱ヒータなども使用可能である。バックアップボイラ２２で生成された湯が貯湯タンク（図示せず）に貯留されてもよいし、貯湯タンクの湯をバックアップボイラ２２で加熱できるようになっていてもよい。

バックアップボイラ２２は、商用電源３００（詳細には、第１系統電源３４４）と補機１２とを結ぶ給電ライン２６（詳細には、第１ライン２６ａ）から分岐する形で設けられている。バックアップボイラ２２には、商用電源３００又は補助電源装置２３から（第１接続部２７ａを経由して）電力が供給されうる。したがって、バックアップボイラ２２は、商用電源３００の停電中及び燃料電池１０の停止中にも水を加熱して湯を供給できる。

燃料電池システム１００は、さらに、停電時専用コンセント２４を備えている。停電時専用コンセント２４は、商用電源３００（詳細には、第１系統電源３４４）と補機１２とを結ぶ給電ライン２６（詳細には、第１ライン２６ａ）から分岐する形で設けられている。詳細には、停電時専用コンセント２４への回路線は、リレー３２において、給電ライン２６から分岐している。なお、本実施形態において、全てのリレーは、有接点リレーであってもよいし、無接点リレーであってもよい。

燃料電池システム１００は、さらに、分岐ライン２９及びリレー３３を備えている。分岐ライン２９は、発電電力ライン２８から分岐しているラインである。リレー３３は、ＤＣ／ＡＣコンバータ１４と商用電源３００（詳細には、第２系統電源３４６）との間において、発電電力ライン２８に設けられている。詳細には、リレー３３は、発電電力ライン２８と分岐ライン２９との間の分岐位置に設けられている。分岐ライン２９は、給電ライン２６（詳細には、第１ライン２６ａ）に接続されている。分岐ライン２９及びリレー３３は、商用電源３００の停電時において、燃料電池１０で生成された電力を安全にバックアップボイラ２２、停電時専用コンセント２４などの電気需要に供給する役割を担う。具体的には、リレー３２を操作することによって、分岐ライン２９と停電時専用コンセント２４との間の電気的接続をオン又はオフにすることができる。このような構成によれば、停電時にのみ停電時専用コンセント２４に燃料電池１０で生成された電力を供給することができる。また、停電時専用コンセント２４によれば、商用電源３００の停電時にも様々な電気製品を家庭内で使用することが可能になる。

燃料電池システム１００は、さらに、報知部４９を備えている。報知部４９は、所定の報知を行うことができる。

燃料電池システム１００は、さらに、リレー３４及び３５を備えている。リレー３４及び３５は、それぞれ、給電ライン２６（詳細には、第１ライン２６ａ）及び発電電力ライン２８に設けられている。詳細には、リレー３４は、商用電源３００（第１系統電源３４４）とリレー３２との間において、給電ライン２６に設けられている。リレー３５は、商用電源３００（第２系統電源３４６）とリレー３３との間において、発電電力ライン２８に設けられている。これらのリレー３４及び３５によれば、商用電源３００が停電したときに、燃料電池システム１００を商用電源３００から安全に切り離すことができる。また、商用電源３００が復旧したときに、燃料電池システム１００を商用電源３００に安全に接続することができる。

燃料電池システム１００は、さらに、検出器３８，３９ａ，３９ｂ及び４０を備えている（以下では、検出器３９ａ及び３９ｂを検出器３９と総称することがある）。検出器３８は、第１系統電源３４４の電圧又は補助電源装置２３の電圧を検出する役割を担う。検出器３８は、リレー３４と第１接続部２７ａの間において、第１ライン２６ａの上に設けられている。検出器４０は、第２系統電源３４６の電圧を検出する役割を担う。検出器４０は、リレー３５よりも商用電源３００の近くにおいて、発電電力ライン２８の上に設けられている。検出器３８及び４０は、典型的には、電圧センサである。例えば、第１接続部２７ａが第２接続部２７ｂに接続されているときに、検出器３８によって１００Ｖａｃの電圧が検出されたら、第１系統電源３４４が有効である。第１接続部２７ａが第３接続部２７ｃに接続されているときに、検出器３８によって１００Ｖａｃの電圧が検出されたら、補助電源装置２３が第２ライン２６ｂに電力を供給している。また、検出器４０によって２００Ｖａｃの電圧が検出されたら、第２系統電源３４６が有効である。検出器３８，３９及び４０の検出信号は制御部１６に入力される。

制御部１６は、燃料電池システム１００が商用電源３００と系統連系するように、ＤＣ／ＡＣコンバータ１４を制御し、交流電力の位相の調整などを行うことができる。制御部１６は、検出器３８，４０により取得した検出信号に基づいて、リレー３２〜３５の制御を行うことができる。制御部１６は、検出器３９の検出信号から検出値を読み取り、検出値を用いて第１接続部２７ａと補助電源装置２３の接続の有無を判定することができる。この読み取り及び判定を行えるように、制御部１６は、計測部１６ａ及び判定部１６ｂを含んでいる。なお、検出器３９ａ及び３９ｂの検出値両方を用いることは必須ではない。図７の例では、第１検出器３９ａの検出値を用いれば足りる。また、図７の例では、第１検出器３９ａは電線３０５Ｕに設けられているが、第１検出器３９ａは電線３０５Ｏに設けられていてもよい。検出器３９ａ及び３９ｂは、本実施形態では電流計であり、具体的にはカレントトランスである。制御部１６は、復電検出を行うことができる。復電検出を行えるように、制御部１６は、復電検出部１６ｃを有している。制御部１６は、補機１２、バックアップボイラ２２及び報知部４９の制御も行うことができる。制御部１６は、燃料電池システム１００の全体の制御を行う。

また、本実施形態では、商用電源３００からバックアップボイラ２２に電力を供給する場合と補助電源装置２３からバックアップボイラ２２に電力を供給する場合の両方において、第１接続部２７ａに供給される電圧とバックアップボイラ２２に供給される電圧が同じとなる。この特徴も、燃料電池システム１００をシンプルに構成する上で有利な特徴であり、燃料電池システム１００のコスト抑制に繋がる特徴である。

次に、燃料電池システム１００の運転について詳細に説明する。図２〜図５において、破線は、電力の供給経路を表している。

（通常運転時）
図２に示すように、燃料電池システム１００の通常運転時には、第１接続部２７ａは第２接続部２７ｂに接続される。ＤＣ／ＡＣコンバータ１４が商用電源３００（第２系統電源３４６）に電気的に接続されるように、リレー３３及び３５が制御される。これにより、発電電力ライン２８を通じて２００Ｖの交流電力が分電盤５０に供給される。燃料電池１０で生成された電力は、分電盤５０を経由して家庭内の一般負荷に供給される。電力が余っている場合には、余った電力を商用電源３００に逆潮流させてもよいし、負荷調整器などで消費させてもよい。また、バックアップボイラ２２が商用電源３００（第１系統電源３４４）に接続されるように、リレー３２及び３４が制御される。給電ライン２６を通じて、１００Ｖの交流電力がバックアップボイラ２２に供給される。なお、「通常運転」とは、商用電源３００が有効であり、かつ、燃料電池１０が要求通りの電力（定格電力）を安定して生成しているときの運転を意味する。

なお、通常運転時において、補機１２には燃料電池１０で生成された直流電力が供給されている。そのため、ＡＣ／ＤＣコンバータ１８は、その機能を停止している。言い換えれば、ＡＣ／ＤＣコンバータ１８は、給電ライン２６を通じて第１系統電源３４４から補機１２に電力が供給されないように電流を遮断している。

（燃料電池の運転停止時）
図３に示すように、燃料電池１０の運転停止時にも、第１接続部２７ａは第２接続部２７ｂに接続される。ＡＣ／ＤＣコンバータ１８が商用電源３００（第１系統電源３４４）に接続されるように、リレー３２及び３４が制御される。これにより、給電ライン２６を通じて１００Ｖの交流電力がＡＣ／ＤＣコンバータ１８に供給される。バックアップボイラ２２にも１００Ｖの交流電力が供給される。

（商用電源の停電時）
一般に、燃料電池は、スタックの急速な劣化を抑制するために定期的に休止を必要とする。また、貯湯タンクの湯が満水に達すると、燃料電池は運転を停止する。燃料電池の運転の１サイクルは、例えば、０〜２２時間の運転期間（発電期間）と２〜２４時間の停止期間とを含む。そのため、停止期間に商用電源の停電が起こる可能性はある。

第１接続部２７ａが第２接続部２７ｂに接続された状態で、制御部１６は、検出器３８及び４０から定期的に検出信号を取得する。制御部１６は、取得した検出信号に基づき、商用電源３００が停電したかどうかを判断する。典型的には、検出器３８及び４０によって検出された電圧がゼロに低下した場合、商用電源３００が停電したものと判断する。商用電源３００の停電を検出したのち、制御部１６は、所定の停電処理を実行する。なお、燃料電池１０、商用電源３００及び補助電源装置２３のいずれからも電力の供給を受けることができないときのために、制御部１６、スイッチ３０などに電力が一時的に供給されるように、一次電池を備えたバックアップ回路（図示省略）が設けられている。

図６Ａのフローチャートに示すように、まず、燃料電池１０（ＦＣ：Fuel Cell）が停止中かどうかを判断する（ステップＳ１）。燃料電池１０が停止中のとき、図６Ｂに示す停止中停電処理を実行する（ステップＳ２）。

図６Ｂに示すように、まず、商用電源３００を燃料電池システム１００から電気的に切断する（ステップＳＴ１）。具体的には、リレー３４及び３５をオフ（オープン）にする。次に、補助電源装置２３から補機１２及びバックアップボイラ２２に電力を供給することが可能となるように、第１接続部２７ａの接続先を第２接続部２７ｂから第３接続部２７ｃに変更し（ステップＳＴ２）、補助電源装置２３による第１ライン２６ａへの電力供給を開始する（ステップＳＴ３）。典型的には、燃料電池システム１００のユーザーが、第１接続部２７ａを第２接続部２７ｂから第３接続部２７ｃに繋ぎ換え、補助電源装置２３が給電を開始すべき旨の指示を補助電源装置２３に与える（スイッチ操作など）。制御部１６は、検出器３８の検出信号を取得し、取得した検出信号に基づいて非常用の補助電源装置２３が第１ライン２６ａに電力を供給しているかどうかを判断する（ステップＳＴ４）。具体的には、検出器３８によって検出された電圧が所定の範囲内（例えば、１０１±２０Ｖａｃ）に収まっていれば、補助電源装置２３が第１ライン２６ａに電力を供給しているものと判断する。そして、例えば、制御部１６に通信可能に接続されて家庭内に設置されたリモコン又はタッチパネルにメッセージを表示させることによって、燃料電池１０の起動が可能であることを表示する（ステップＳＴ５）。併せて、湯の使用が可能であることを表示させてもよい。

図６Ｂの停止中停電処理を実行することによって、図４に示すように、補助電源装置２３から補機１２及びバックアップボイラ２２への電力供給が可能となる。ユーザーによって燃料電池システム１００を起動すべき旨の指示が燃料電池システム１００に与えられた場合、補機１２への電力供給が開始される。具体的には、リレー３４をオン（クローズ）にする。ただし、ステップＳＴ５において、補機１２への電力供給を自動的に開始し、燃料電池１０を自動的に起動させてもよい。

本実施形態によれば、商用電源３００の停電時かつ燃料電池１０の起動前において、補機１２への電力供給元が商用電源３００から補助電源装置２３に切り替えられたとき、バックアップボイラ２２にも補助電源装置２３から電力が供給される。一見すると、バックアップボイラ２２に急いで給電する意味がないようにも思われる。しかし、燃料電池１０の種類にもよるが、燃料電池１０を起動して安定的に発電させるためには、３０〜６０分間の時間が必要な場合が多い。したがって、補助電源装置２３の電力でバックアップボイラ２２の運転を直ちに可能にすることは、停電時における燃料電池システム１００の利便性及びユーザーにとっての快適性を大幅に向上させる。例えば、貯湯タンクの湯切れが起きても、バックアップボイラ２２で沸かした湯を蛇口、風呂、温水暖房設備などに供給することができる。

（商用電源の停電時かつ燃料電池の起動後）
燃料電池１０の起動後には、燃料電池１０で生成された電力が補機１２に供給される。これにより、停電後も燃料電池１０が自立運転を続けることが可能となる。制御部１６は、例えば、燃料電池１０からのフィードバック信号を取得することによって、燃料電池１０が起動したかどうかを判断する。

また、燃料電池１０の起動後には、図５に示すように、停電時専用コンセント２４が分岐ライン２９に電気的に接続されるように、リレー３２を操作する。また、発電電力ライン２８とバックアップボイラ２２及び停電時専用コンセント２４とを電気的に接続するようにリレー３３を操作する。さらに、燃料電池１０で生成された直流電力が１００Ｖの交流電力に変換されるように、ＤＣ／ＡＣコンバータ１４を制御する。

上述のリレー３２の操作後に、補助電源装置２３の発電を停止させ、図５に示すように、第１接続部２７ａの接続先を第３接続部２７ｃから第２接続部２７ｂに変更する。典型的には、燃料電池システム１００のユーザーが、補助電源装置２３による第１ライン２６ａへの電力供給を停止すべき旨の指示が補助電源装置２３に与え、補助電源装置２３の電力供給停止後に、第１接続部２７ａを第３接続部２７ｃから第２接続部２７ｂに繋ぎ換える。

燃料電池１０の起動後に行われる上述の動作により、第１接続部２７ａの接続先を第３接続部２７ｃから第２接続部２７ｂに変更した後も、バックアップボイラ２２を使用し続けることが可能となる。停電時専用コンセント２４を介して燃料電池１０で生成された電力を家庭内に供給することが可能となる。また、燃料電池１０の起動後にバックアップボイラ２２への電力供給元を補助電源装置２３から燃料電池１０に変更することによって、補助電源装置２３の電力消費を最小限に抑えることができる。このことは、補助電源装置２３がバッテリである場合に特に有効である。

一方、図６ＡのフローチャートのステップＳ３に示すように、燃料電池１０の通常運転時に商用電源３００の停電が起こった場合、所定の運転中停電処理（ステップＳ４）を実行する。制御部１６は、検出器３８及び４０から取得した検出信号に基づいて、燃料電池１０の通常運転時に停電が起きたかどうかを判断することができる。具体的には、上記検出信号により電圧の大きさ及び／又は周期（周波数）が通常運転時から変化した場合に、停電が発生したと判定することができる。

ステップＳ４の運転中停電処理には、例えば、次の処理が含まれる。まず、リレー３４及び３５をオフにして燃料電池システム１００を商用電源３００から切り離す。また、燃料電池１０で生成された直流電力が１００Ｖの交流電力に変換されるように、ＤＣ／ＡＣコンバータ１４の制御を変更する（通常時は２００Ｖａｃ）。分岐ライン２９が発電電力ライン２８に電気的に接続されるようにリレー３３を操作する。停電時専用コンセント２４に燃料電池１０で生成された電力が供給されるように、リレー３２を操作する。詳細には、停電時専用コンセント２４が分岐ライン２９に電気的に接続されるように、リレー３２を操作する。これにより、燃料電池システム１００は、商用電源３００の停電時の運転への移行を完了する。燃料電池１０で生成された電力がバックアップボイラ２２及び停電時専用コンセント２４に供給される。

また、図６Ａのフローチャートに示すように、燃料電池１０の停止中でも運転中でもない場合には、燃料電池１０を起動している最中であるから、所定の起動中停電処理（ステップＳ５）を実行する。起動中停電処理として、起動中の燃料電池１０を停止させる処理が挙げられる。なお、「起動中」の語句は、補機１２の動作の開始から、燃料電池１０が要求通りの電力（定格電力）を安定して生成できるようになるまでの期間を意味する。

次に、商用電源３００が復旧したときの処理を説明する。

制御部１６（具体的には復電検知部１６ｃ）は、検出器４０から定期的に検出信号を取得する。制御部１６は、取得した検出信号に基づき、商用電源３００の停電が解除されたどうか（復電したかどうか）を判断する。典型的には、検出器４０によって検出された電圧が２００Ｖａｃに上昇した場合、商用電源の停電が解除されたものと判断する。なお、他の方法で商用電源３００が復電したことを検知することもできる。商用電源３００の電圧の大きさ以外では、例えば、電圧の周波数、ゼロクロスの周期などで、商用電源３００が復電したかどうかを判定することができる。

燃料電池１０で生成された電力がバックアップボイラ２２に供給されている最中に商用電源３００の停電が解除された場合には、リレー３２がさらに操作されることによってバックアップボイラ２２への電力供給元が燃料電池１０から商用電源３００へと切り替わる（第１接続部２７ａは第２接続部２７ｂに接続されているものとする）。具体的には、燃料電池１０の運転を一旦停止し、その後、停電時専用コンセント２４が給電ライン２６から切り離されるように、リレー３２を操作する。分岐ライン２９が発電電力ライン２８から切り離されるようにリレー３３を操作する。そして、リレー３４及びリレー３５をオン（クローズ）にする。リレー３２及び３４の切り替えにより、商用電源３００（詳細には、第１系統電源３４４）から補機１２への電力の供給が可能な状態となる。商用電源３００から補機１２に電力を供給し、燃料電池１０を再起動させる。再起動後には、燃料電池１０で生成された直流電力が２００Ｖの交流電力に変換されるようにＤＣ／ＡＣコンバータ１４が制御される（停電時は１００Ｖａｃ）。このようにすれば、商用電源３００の復旧後、燃料電池システム１００の通常運転にスムーズに移行することができる。また、停電時専用コンセント２４が使用され続けることを防止できる。

（第１接続部２７ａの接続先を手動変更することに伴い発生しうる問題及び当該問題発生の防止について）
上述のように、本実施形態では、第１接続部２７ａの接続先の変更を、燃料電池システム１００のユーザーが手動で行うという構成が採用されている。この構成は、燃料電池システム１００のコストを抑制するのに適している。この構成においては、停電発生時に燃料電池１０が運転を停止している場合、燃料電池システム１００のユーザーが、第１接続部２７ａの接続先を第３接続部２７ｃに変更し、これにより、補助電源装置２３から補機１２に電力を供給して燃料電池１０を起動させることが可能となる。燃料電池１０の起動後には、ユーザーが、第１接続部２７ａの接続先を第２接続部２７ｂに戻し、これにより、停電解消後（復電後）において燃料電池１０の運転を停止し、再度起動が必要なときに商用電源３００から補機１２に電力が供給されている状態で燃料電池１０を再起動させることが可能となる。しかし、このようにすると、以下の問題が生じうる。すなわち、燃料電池システム１００のユーザーが、停電中に燃料電池１０が起動した後に第１接続部２７ａの接続先を第３接続部２７ｃから第２接続部２７ｂに戻すのを忘れ、この状態で燃料電池を再起動することがありうる。この場合、本来であれば停電時に利用するべき補助電源装置２３の電力が不必要に消費されてしまう。この不必要な電力消費は、後の停電時に燃料電池１０を起動させるのに必要な電力を補助電源装置２３から補機１２に供給できないという事態を招きうる。

そこで、本実施形態では、商用電源３００が復電してから所定時間（例えば、５〜１０秒程度）経過後において第１接続部２７ａと第３接続部２７ｃとが接続されていると制御部１６（具体的には判定部１６ｂ）が判定した場合に、燃料電池システム１００（具体的には報知部４９）は、（ｉ）所定の報知を行う。このように、燃料電池システム１００は、第１接続部２７ａと補助電源装置２３とが接続されていることが疑われる場合に、所定の報知を行うことができる。報知は、燃料電池システム１００のユーザーに、第１接続部２７ａの接続先を第２接続部２７ｂに戻す契機を与える。ユーザーが第１接続部２７ａの接続先を第２接続部２７ｂに戻すことにより、本来であれば停電時に利用するべき補助電源装置２３の電力が不必要に消費される事態が回避され、後の停電時に燃料電池１０を起動させるのに必要な電力を補助電源装置２３から補機１２に供給できないという事態が回避される。なお、上述の判定を復電時ではなく復電してから所定時間経過後に行うのは、復電後の商用電源３００の安定性確認のためである。ただし、上述の判定を、所定時間経過を待たず、復電時に行ってもよい。

燃料電池システム１００のユーザーにが分かるものであれば、上記（ｉ）の報知の種類は特に限定されない。上記（ｉ）の報知は、視覚に訴えるものであってもよく、聴覚に訴えるものであってもよい。視覚に訴える報知は、例えば、画面への所定の表示である。視覚に訴える報知の具体例は、制御部１６に通信可能に接続されて家庭内に設置されたリモコン又はタッチパネル、若しくはネットワークで燃料電池システム１００と通信可能とされたスマートフォンなどに表示されるメッセージである。聴覚に訴える報知は、例えば、警告音である。

上記（ｉ）の報知に代え、（ii）燃料電池１０の起動を禁止してもよい。このようにしても、上記のような不必要な電力消費が回避されるため、同様の効果が得られる。

本実施形態では、第２ライン２６ｂは、商用電源３００から引き込まれた２本の電線３０５Ｕ及び３０５Ｏと、これらの２本の電線から商用電源３００の電力が供給される第１系統電源３４４と、を介して、商用電源３００の電力が供給されるように構成されている。燃料電池システム１００は、上記２本の電線の一方における第１系統電源３４４への接続ポイント３１０と商用電源３００との間の位置に設けられた第１検出器３９ａと、補助電源装置２３及び商用電源３００のいずれか一方から第１接続部２７ａを経由して電力が供給されうる位置に設けられた負荷と、を備えている。制御部１６は、負荷の出力を変化させ、第１検出器の検出値の変化が所定範囲内であるときに第１接続部２７ａと第３接続部２７ｃは接続されていると判定する。上記の「２本の電線の一方」は、電線３０５Ｕであってもよく電線３０５Ｏであってもよい。２本の電線の一方における接続ポイント３１０と商用電源３００の間の位置の一例は、受電端である。受電端は、電力会社と需要家の責任分解点である。本実施形態では、第１検出器は電流計（具体的にはカレントトランス）であり、第１検出器の検出値は電流値である。具体的には、制御部１６の計測部１６ａが、第１検出器からの検出信号から検出値を読み取り、判定部１６ｂが上記の判定を担当する。上記の負荷として、例えば、補機１２又はバックアップボイラ（バックアップ熱源）２２を用いることができる。

本明細書に開示された技術は、燃料電池システムのコストを抑制しつつ、停電中に燃料電池を起動させるのに必要な電力を補機に供給できない事態を回避するのに適している。

１０ 燃料電池
１２ 補機
１４ ＤＣ／ＡＣコンバータ
１６ 制御部
１６ａ 計測部
１６ｂ 判定部
１６ｃ 復電検出部
１８ ＡＣ／ＤＣコンバータ
２３ 補助電源装置
２６ 給電ライン
２６ａ 第１ライン
２６ｂ 第２ライン
２７ａ 第１接続部
２７ｂ 第２接続部
２７ｃ 第３接続部
２８ 発電電力ライン
２９ 分岐ライン
３２ リレー
３３ リレー
３４ リレー
３５ リレー
３８ 検出器
３９ 検出器
４０ 検出器
５０ 分電盤
１００ 燃料電池システム
３００ 商用電源
３０５ 電力線
３０５Ｕ，３０５Ｗ，３０５Ｏ 電線
３１０ 接続ポイント
３４４ 第１系統電源
３４６ 第２系統電源

Claims (7)

1. 補助電源装置から電力が供給されうる燃料電池システムであって、
   燃料電池と、
   前記燃料電池の運転に必要な動作を実行可能である補機と、
   第１ラインと第２ラインとを有する給電ラインと、
   制御部と、を備え、
   前記第１ラインには、前記補機に供給する電力が入力される第１接続部が設けられており、
   前記第２ラインには、商用電源から供給される電力が出力される第２接続部が設けられており、
   前記第１接続部及び前記第２接続部は互いに着脱自在であり、
   前記第１接続部を前記第２接続部に接続することによって、前記商用電源から前記補機に電力を供給することが可能となり、
   前記第１接続部を前記補助電源装置に含まれた第３接続部に接続することによって、前記補助電源装置から前記補機に電力を供給することが可能となり、
   前記商用電源の復電時又は前記商用電源が復電してから所定時間経過後において前記第１接続部と前記第３接続部とが接続されていると前記制御部が判定した場合に、前記燃料電池システムは（ｉ）所定の報知を行う及び／又は（ii）前記燃料電池の起動を禁止する、燃料電池システム。
2. 前記第２ラインは、前記商用電源から引き込まれた２本の電線と、前記２本の電線から前記商用電源の電力が供給される第１系統電源と、を介して、前記商用電源の電力が供給されるように構成されており、
   前記燃料電池システムは、前記２本の電線の一方における前記第１系統電源への接続ポイントと前記商用電源との間の位置に設けられた第１検出器と、前記補助電源装置及び前記商用電源のいずれか一方から前記第１接続部を経由して電力が供給されうる位置に設けられた負荷と、を備え、
   前記制御部は、前記負荷の出力を変化させ、前記第１検出器の検出値の変化が所定範囲内であるときに、前記第１接続部と前記第３接続部とが接続されていると判定する、請求項１に記載の燃料電池システム。
3. （ｉ）前記負荷は、前記補機である、又は、
   （ii）前記燃料電池システムは、水を加熱して湯を供給するバックアップ熱源を備え、前記負荷は、前記バックアップ熱源である、請求項２に記載の燃料電池システム。
4. 前記第１検出器は、電流計であり、
   前記検出値は、電流値である、請求項２又は３に記載の燃料電池システム。
5. 前記第１接続部は、差込プラグであり、
   前記第２接続部は、前記差込プラグが差込まれるプラグ受けである、請求項１〜４のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
6. 請求項１〜５のいずれか一項に記載の燃料電池システムと、前記補助電源装置と、を備え、
   前記第１接続部及び前記第３接続部は互いに着脱自在である、電力システム。
7. 前記第１接続部は、差込プラグであり、
   前記第２接続部は、前記差込プラグが差込まれるプラグ受けであり、
   前記第３接続部は、前記差込プラグが差込まれるプラグ受けである、請求項６に記載の電力システム。
   

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