JP2024086124A - 電源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】外部の電源装置が存在しない環境下においても、発電をして負荷に電力を供給可能とする。
【解決手段】蓄電部４を備え、制御部（主制御部９、発電制御部１４および充放電制御部２２）が、「供給開始条件」が満たされたときに、蓄電部４から電源装置１の構成要素に対する電力の供給を開始させると共に、ヒーター３による発電用セル１１の加熱を開始させ、「第１の条件」が満たされたときに、燃料電池発電部２による発電量を徐々に増加させ、「第２の条件」が満たされたときに、蓄電部４から電源装置１の構成要素に対する電力の供給を終了させ、「第３の条件」が満たされたときに、ヒーター３による発電用セル１１の加熱を終了させ、「供給終了条件」が満たされたときに、電源装置１から負荷への電力の供給を終了させると共に、燃料電池発電部２によって発電された電力を蓄電部４に蓄電させ、予め規定された電力が蓄電されたときに、発電を終了させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池発電部を備えて負荷に対して電力を供給可能に構成された電源装置に関するものである。

この種の電源装置として、下記の特許文献には、燃料電池発電ユニットパッケージ（燃料電池発電ユニット）の形態で一般家庭などに設置可能に構成された燃料電池発電システム（以下、「発電ユニット」ともいう）が開示されている。

この発電ユニットは、家庭用電気機器などの電力負荷が接続された商用系統（商用交流）に接続されると共に、水素と酸素とを電気化学的に反応させて発電した直流の電力を交流に変換して出力可能に構成されている。また、この発電ユニットには、貯湯ユニット用コンセントが設けられて貯湯ユニットを接続可能に構成されており、商用系統の消失時（停電時）に、貯湯ユニットに対して電力を継続して供給することができるように構成されている。具体的には、この発電ユニットは、上記のように直流の電力を発生する燃料電池本体を備えると共に、燃料電池本体において発生した直流の電力を昇圧器によって昇圧した後にインバータによって交流に変換することで、貯湯ユニット等の負荷に対して商用系統と同様の交流の電力を供給することができるように構成されている。

また、この発電ユニットは、各種センサの検知結果、ディップスイッチの設定内容（操作状態）、および切替えスイッチの操作に応じて、商用系統からの電力を負荷に対して供給する系統連系運転（通常運転）、および燃料電池本体において発電した電力を負荷に対して供給する系統独立運転（非常時運転）の２つの運転モードのうちのいずれかに切り替える運転制御機能を有している。これにより、この発電ユニットでは、系統連系運転中に停電が発生して商用系統からの電力供給が停止したときに、運転制御機能によって系統独立運転に切り替わって貯湯ユニット等に対する電力の供給を継続することが可能となっている。

特開２０１３－１４３３４３号公報（第５－１２頁、第１－７図）

ところが、上記特許文献に開示の発電ユニット（電源装置）には、以下のような解決すべき問題点が存在する。

すなわち、上記特許文献に開示の発電ユニットは、系統連系運転（通常運転）時に商用系統（商用交流）から得た電力を貯湯ユニット等の負荷に対して供給すると共に、停電などで商用交流から電力を得られなくなったときに系統独立運転（非常時運転）に切り替わって燃料電池本体において発電した電力を負荷に対して供給する構成が採用されている。つまり、上記特許文献に開示の発電ユニットは、燃料電池本体において発電をする系統独立運転に切り替わる前に、発電ユニットの各構成要素を動作させる電力を商用交流から得ることが可能な環境下での使用することを想定して構成されている。

この場合、この種の電源装置は、停電が発生してからある程度の時間が経過している状態において装置を起動させて負荷に対して電力を供給したり、商用交流に接続するのが困難な場所で装置を起動させて負荷に対して電力を供給したりするといった用途で使用されることがある。また、この種の電源装置に搭載された燃料電池発電部では、発電を行う際に、発電に適した温度まで発電用セル等を加熱する必要がある。例えば、上記特許文献に開示の発電ユニットにおいても、商用交流やインバータからの電力を用いて発電ユニットの構成要素を加熱するＦＰＳヒータ、および余剰電力を用いて発電ユニットの構成要素を加熱する余剰電力ヒータを備えて構成されている。

しかしながら、上記特許文献に開示の発電ユニットでは、商用交流から電力を得られない環境下においてＦＰＳヒータによって発電ユニットを加熱することができないため、負荷において必要とされる電力を燃料電池発電部によって発電することが可能な状態となるまでに非常に長い時間を要する（或いは、停止状態から発電可能な状態に移行できない）という現状がある。したがって、上記特許文献に開示の発電ユニットでは、明細書の「発明を実施するための形態」に明示されているように、商用系統の接続部に汎用ポータブル発電機などの外部電電を接続し、外部電源から得た電力を使用して各構成要素（上記ヒータを含む）を動作させる構成が採用されている。

このため、上記特許文献に開示の発電ユニットでは、停電が発生してからある程度の時間が経過している状態（商用交流からの電力を使用して加熱していた発電ユニットが温度低下している状態）や、商用交流に接続するのが困難な場所で使用するときに、電源装置である自身を起動させるための外部の電源装置が必要となっており、その利便性が低いという課題が存在する。

本発明は、かかる解決すべき問題点に鑑みてなされたものであり、外部の電源装置が存在しない環境下においても、燃料電池発電部によって発電をして負荷に対して電力を供給し得る電源装置を提供することを主目的とする。

上記目的を達成すべく、請求項１記載の電源装置は、発電用セルを備えた燃料電池発電部と、前記発電用セルを加熱する加熱部と、前記燃料電池発電部によって発電された電力を蓄電可能な蓄電部と、前記燃料電池発電部による発電、前記加熱部による前記発電用セルの加熱、および前記蓄電部による蓄電を制御する制御部とを備え、接続された負荷に対して電力を供給可能に構成された電源装置であって、前記制御部は、前記燃料電池発電部による発電が行われていない状態において当該電源装置から前記負荷に対する電力の供給を開始する予め規定された供給開始条件が満たされたときに、前記蓄電部から当該電源装置の構成要素に対する電力の供給を開始させると共に、前記加熱部による前記発電用セルの加熱を開始させ、前記燃料電池発電部によって予め規定された第１の発電量の発電が可能となる第１の条件が満たされたときに、当該燃料電池発電部による発電量を徐々に増加させ、前記燃料電池発電部による発電量が前記第１の発電量よりも多量の予め規定された第２の発電量となる第２の条件が満たされたときに、前記蓄電部から当該電源装置の構成要素に対する電力の供給を終了させ、前記燃料電池発電部によって前記第１の発電量よりも多量の予め規定された第３の発電量の発電が可能となる第３の条件が満たされたときに、前記加熱部による前記発電用セルの加熱を終了させ、当該電源装置から前記負荷に対する電力の供給を終了する予め規定された供給終了条件が満たされたときに、当該電源装置から前記負荷への電力の供給を終了させると共に、前記燃料電池発電部によって発電された電力を前記蓄電部に蓄電させ、当該蓄電部に予め規定された蓄電量の電力が蓄電されたときに、当該燃料電池発電部による発電を終了させる。

請求項２記載の電源装置は、請求項１記載の電源装置において、前記制御部は、前記燃料電池発電部による発電量が前記第２の発電量よりも多量の予め規定された第４の発電量を超え、かつ前記負荷に対して供給している電力量が当該第４の発電量を下回る状態において予め規定された蓄電開始条件が満たされたときに、当該燃料電池発電部によって発電された電力を前記蓄電部に蓄電させる。

請求項３記載の電源装置は、請求項１または２記載の電源装置において、前記制御部は、前記予め規定された供給開始条件が満たされたときに、前記蓄電部から前記負荷に対する電力の供給を開始させると共に、前記第１の条件が満たされたときに、前記蓄電部から前記負荷への電力の供給量を徐々に減少させ、前記第２の条件が満たされたときに、前記蓄電部から前記負荷に対する電力の供給を終了させる。

請求項４記載の電源装置は、請求項３記載の電源装置において、前記制御部は、前記燃料電池発電部による発電量が前記負荷に供給すべき電力量を下回る状態において予め規定された放電開始条件が満たされたときに、当該燃料電池発電部によって発電された電力を当該負荷に供給させつつ、前記蓄電部から当該負荷に電力を供給させる。

請求項５記載の電源装置は、請求項１または２記載の電源装置において、前記制御部は、前記負荷に電力を供給している商用交流が遮断されたときに、前記供給開始条件が満たされたと判別する。

請求項６記載の電源装置は、請求項５記載の電源装置において、前記制御部は、前記負荷に対する前記商用交流からの電力の供給が再開されたときに、前記供給終了条件が満たされたと判別する。

請求項１記載の電源装置では、燃料電池発電部、加熱部、蓄電部および制御部を備え、制御部が、燃料電池発電部による発電が行われていない状態において予め規定された供給開始条件が満たされたときに、蓄電部から電源装置の構成要素に対する電力の供給を開始させると共に、加熱部による発電用セルの加熱を開始させ、燃料電池発電部によって予め規定された第１の発電量の発電が可能となる第１の条件が満たされたときに、燃料電池発電部による発電量を徐々に増加させ、燃料電池発電部による発電量が予め規定された第２の発電量となる第２の条件が満たされたときに、蓄電部から電源装置の構成要素に対する電力の供給を終了させ、燃料電池発電部によって予め規定された第３の発電量の発電が可能となる第３の条件が満たされたときに、加熱部による発電用セルの加熱を終了させ、予め規定された供給終了条件が満たされたときに、電源装置から負荷への電力の供給を終了させると共に、燃料電池発電部によって発電された電力を蓄電部に蓄電させ、蓄電部に予め規定された蓄電量の電力が蓄電されたときに、燃料電池発電部による発電を終了させる。

したがって、請求項１記載の電源装置によれば、停電などに起因して商用交流から電力を得られない状況や、商用交流に接続できない環境下においても、蓄電部に蓄電されている電力を使用して起動させ、加熱部によって燃料電池発電部（発電用セル）を加熱して好適に発電が可能な状態まで温度上昇させることができる。これにより、外部の電源装置が不要となるため、非常に利便性の高い電源装置を提供することができる。また、燃料電池発電部によって発電している電力を負荷に対して供給する必要がなくなったときに、次回の起動時等に必要な電力が蓄電部に対して自動的に蓄電されるため、電源装置の使用開始前に蓄電部に対して電力を蓄電する作業を行わなくても、電源装置を直ちに起動させて負荷等への電力の供給（燃料電池発電部による発電）を迅速に開始させることができる結果、この点においても利便性を一層向上させることができる。

請求項２記載の電源装置によれば、制御部が、燃料電池発電部による発電量が予め規定された第４の発電量を超え、かつ負荷に対して供給している電力量が第４の発電量を下回る状態において予め規定された蓄電開始条件が満たされたときに、燃料電池発電部によって発電された電力を蓄電部に蓄電させることにより、電源装置から負荷等に対して電力を供給している状態において、燃料電池発電部によって発電された電力の一部（余剰な電力）が蓄電部に対して自動的に蓄電されるため、供給終了条件が満たされたときに蓄電部に対して電力を蓄電する処理に要する時間を短縮し、短時間で燃料電池発電部による発電を終了させることができる。

請求項３記載の電源装置によれば、制御部が、予め規定された供給開始条件が満たされたときに、蓄電部から負荷に対する電力の供給を開始させると共に、第１の条件が満たされたときに、蓄電部から負荷への電力の供給量を徐々に減少させ、第２の条件が満たされたときに、蓄電部から前記負荷に対する電力の供給を終了させることにより、燃料電池発電部による発電量が十分な量に達していない状態において蓄電部から負荷等に対して電力が供給されるため、蓄電部から負荷等に電力が供給されない構成と比較して、その利便性を一層向上させることができる。また、燃料電池発電部による発電量の増加に伴って蓄電部から負荷への電力の供給量を徐々に減少させることで、蓄電部に蓄電されている電力の消費量を低減することができ、供給終了条件が満たされたときに蓄電部に対して電力を蓄電する処理に要する時間を短縮し、短時間で燃料電池発電部による発電を終了させることができる。

請求項４記載の電源装置によれば、制御部が、燃料電池発電部による発電量が負荷に供給すべき電力量を下回る状態において予め規定された放電開始条件が満たされたときに、燃料電池発電部によって発電された電力を負荷に供給させつつ、蓄電部から負荷に電力を供給させることにより、負荷に対して供給すべき電力量が燃料電池発電部による発電量を上回ったとしても、不足する電力量を蓄電部から負荷に対して供給して負荷を継続的に動作させることができる。

請求項５記載の電源装置によれば、制御部が、負荷に電力を供給している商用交流が遮断されたときに、供給開始条件が満たされたと判別することにより、商用交流から得た電力を使用して動作している負荷を停止させることなく、電源装置から供給される電力によってこれを継続的に動作させることができる。

請求項６記載の電源装置によれば、制御部が、負荷に対する商用交流からの電力の供給が再開されたときに、供給終了条件が満たされたと判別することにより、負荷に対する電力の供給に影響を及ぼすことなく、次回の起動時等に必要な電力を蓄電部に対して好適に蓄電することができる。

電源装置１の構成図である。 電力供給処理Ａ５０のフローチャートである。 電力供給処理Ｂ６０のフローチャートである。 停止時処理７０のフローチャートである。

以下、添付図面を参照して、電源装置の実施の形態について説明する。

図１に示す電源装置１は、「電源装置」の一例であって、発電用の気体（一例として、水素ガスおよび空気（大気：酸素））が供給されることによって電力を生じさせて各種の負荷に対して供給することができるように構成されている。具体的には、電源装置１は、燃料電池発電部２、ヒーター３、蓄電部４、インバータ５、切替部６、操作部７、表示部８、主制御部９および記憶部１０を備えて構成されている。

燃料電池発電部２は、「燃料電池発電部」の一例であって、発電用セル１１、流量調整部１２、吸引ポンプ１３および発電制御部１４を備えている。発電用セル１１は、「発電用セル」の一例であって、水素ガスセパレータおよび酸素（空気）セパレータの間にＭＥＡ（燃料電池用膜電極接合体）が挟み込まれたセル（図示せず）が複数積層されて一体化されている。流量調整部１２は、水素ガス源Ｈ（一例として、水素ガスが充填された携行型のガスタンク）を接続可能に構成されると共に、発電制御部１４の制御に従い、水素ガス源Ｈから発電用セル１１（水素セパレータ）への水素ガスの供給量を調整する。吸引ポンプ１３は、発電用セル１１（酸素セパレータ）に接続されると共に、発電制御部１４の制御に従い、発電用セル１１から空気（大気）を吸引することで発電用セル１１に新たな空気を導入する。

ヒーター３は、「加熱部」の一例であって、主制御部９の制御に従い、燃料電池発電部２における発電用セル１１を加熱する。蓄電部４は、「蓄電部」の一例であって、バッテリー２１および充放電制御部２２を備えている。バッテリー２１は、一例としてリチウムイオンバッテリーで構成されて、充放電制御部２２の制御下で、燃料電池発電部２によって発電された電力を蓄電したり、蓄電した電力を電源装置１の各構成要素や外部の負荷に対して供給（放電）したりする。充放電制御部２２は、主制御部９の制御に従い、バッテリー２１への蓄電、およびバッテリー２１からの放電を制御する。

インバータ５は、燃料電池発電部２によって発電された直流の電力や、蓄電部４から出力された直流の電力を交流に変換して出力する。切替部６は、一例として、商用交流に接続可能に構成されると共に、電源装置１から電力を供給する各種の負荷を接続可能に構成され、主制御部９の制御に従い、商用交流から得た電力、および／または燃料電池発電部２や蓄電部から出力されてインバータ５によって交流変換された電力を負荷に対して供給する。また、切替部６は、商用交流が供給されているか否か（停電が発生しているか否か）を特定可能な信号を主制御部９に出力する。操作部７は、電源装置１の動作条件についての各種の設定操作が可能な操作スイッチを備え、スイッチ操作に応じた操作信号を主制御部９に出力する。表示部８は、主制御部９の制御下で電源装置１の動作状態を示す各種表示画面（図示せず）を表示する。

主制御部９は、電源装置１を統括的に制御する。具体的には、主制御部９は、燃料電池発電部２による発電（発電制御部１４による発電の制御）、ヒーター３による発電用セル１１の加熱、並びに蓄電部４による蓄電および放電（充放電制御部２２による蓄電および放電の制御）を制御する。この場合、本例の電源装置１では、燃料電池発電部２の発電制御部１４、蓄電部４の充放電制御部２２、および主制御部９が相俟って「制御部」が構成されている。なお、主制御部９、発電制御部１４および充放電制御部２２による各種制御については、後に詳細に説明する。記憶部１０は、主制御部９の動作プログラムや、電源装置１の動作条件の設定に関する各種のデータを記憶している。

この電源装置１は、商用交流に接続可能な場所において停電などに起因して商用交流からの電力を供給することができない状態となったときに負荷に対して電力を継続して供給する非常時電源装置としての使用態様、および、商用交流から電力を得ることができない環境において負荷に対して電力を供給する独立型電源装置としての使用態様で動作させることが可能に構成されている。

最初に、非常時電源装置としての使用態様で使用する方法について説明する。

非常時電源装置として使用するときには、まず、電力供給対象の負荷に対して電力を供給可能な場所に電源装置１を設置して、水素ガス源Ｈを流量調整部１２に接続すると共に、商用交流および負荷を切替部６にそれぞれ接続する。次いで、操作部７を操作して電源装置１を起動させる。この際に、主制御部９は、切替部６からの信号に基づき、切替部６に商用交流が接続されている（商用交流から電力を得られる）と判別し、商用交流から供給される電力を、そのまま負荷に対して供給する。これにより、必要とされている電力が電源装置１を介して商用交流から負荷に対して供給される。また、主制御部９は、負荷に対する電力の供給と並行して、切替部６からの信号に基づき、商用交流から電力を得られる状態であるか否かを継続して監視する。なお、燃料電池発電部２による発電が開始されておらず、かつ商用交流から電力が供給されているこの状態においては、商用交流から得た電力を図示しないＡＣ／ＤＣコンバータで変換した直流の電力によって主制御部９などが動作させられる。

一方、停電等に起因して商用交流からの電力供給が停止したとき（「燃料電池発電部による発電が行われていない状態において電源装置から負荷に対する電力の供給を開始する予め規定された［供給開始条件」が満たされたとき」の一例であって、「商用交流が遮断されたとき」の一例）に、主制御部９は、図２に示す電力供給処理Ａ５０を開始する。この電力供給処理Ａ５０は、燃料電池発電部２による発電を開始するときに実行される処理であって、主制御部９は、まず、充放電制御部２２を制御してバッテリー２１に蓄電されている電力を放電させ、装置内の各構成要素に対する電力の供給を開始させると共に（「蓄電部から当該電源装置の構成要素に対する電力の供給を開始させる」との処理の一例）、切替部６を介して負荷に対する電力の供給を開始させる（「蓄電部から負荷に対する電力の供給を開始させる」との処理の一例：ステップ５１）。

次いで、主制御部９は、ヒーター３を制御して燃料電池発電部２における発電用セル１１の加熱を開始させると共に（「加熱部による発電用セルの加熱を開始させる」との処理の一例）、発電制御部１４を制御して発電用セル１１に対する水素ガスの供給、および発電用セル１１からの空気の吸引を開始させる（ステップ５２）。この際に、ヒーター３は、蓄電部４から出力される電力によって発電用セル１１を加熱し、発電制御部１４は、流量調整部１２を制御して水素ガス源Ｈから発電用セル１１に対する水素ガスの供給を開始させると共に、吸引ポンプ１３を制御して発電用セル１１からの空気の吸引を開始させる。これにより、発電用セル１１の温度が徐々に上昇させられると共に、水素および空気（酸素）が発電用セル１１に対して供給されて燃料電池発電部２における発電が開始される。また、主制御部９は、燃料電池発電部２によって「予め規定された第１の発電量」の発電が可能となる「第１の条件」が満たされたか否かを監視する（ステップ５３）。

この場合、燃料電池発電部２による発電を開始した直後には、好適な発電が可能な温度まで発電用セル１１が温度上昇しておらず、そのような発電用セル１１に対して水素や空気（酸素）が供給されたとしても、燃料電池発電部２からインバータ５に対して電力を安定して出力させることができない。したがって、燃料電池発電部２によって発電された電力の使用を開始するには、一例として、発電用セル１１からインバータ５に対して安定的に出力可能な最低の電力量を「第１の発電量」として規定し、そのような発電量で発電が可能となる状態、すなわち、燃料電池発電部２からインバータ５に対して安定的に電力を出力可能な状態となったか否か（「第１の条件」が満たされたか否か）を判別する必要がある。なお、本例では、一例として、発電用セル１１の温度が「第１の発電量」で好適に発電が可能となる温度まで上昇したときに「第１の条件」が満たされたと判別する構成が採用されている。

また、上記の「第１の条件」が満たされたときに、主制御部９は、ヒーター３による発電用セル１１の加熱を継続させつつ、発電制御部１４を制御して燃料電池発電部２による発電量を徐々に増加させる（ステップ５４）。この際に、発電制御部１４は、流量調整部１２を制御して水素ガス源Ｈから発電用セル１１に対する水素ガスの供給量を徐々に増加させ、吸引ポンプ１３を制御して発電用セル１１からの空気の吸引量を徐々に増加させる。これにより、ヒーター３による加熱によって発電用セル１１の温度がさらに上昇させられると共に、好適な発電に必要な水素および空気（酸素）が発電用セル１１に対して供給され、燃料電池発電部２による発電量が徐々に増加する。

この際には、発電量の増加に伴い、燃料電池発電部２から出力される電力量が徐々に増加し、この電力が電源装置１の各構成要素に供給され、かつインバータ５によって交流変換されて切替部６を介して負荷に供給される。したがって、主制御部９は、充放電制御部２２を制御することにより、燃料電池発電部２によって発電されて電源装置１の各構成要素や負荷に供給される電力量が増加した分だけ、蓄電部４から電源装置１の各構成要素や負荷に対して供給される電力量を減少させる（ステップ５５）。これにより、蓄電部４に蓄電されている電力の単位時間あたりの消費量が徐々に低下する。また、主制御部９は、燃料電池発電部２によって「予め規定された第２の発電量」の発電が可能となる「第２の条件」が満たされたか否かを判別し（ステップ５６）、「第２の条件」が満たされていないときには、後述のステップ５８の処理に進む。

この場合、燃料電池発電部２による発電量が十分に増加したときには、蓄電部４から負荷に対して電力を供給しなくても、負荷において必要とされている電力を電源装置１から供給することができる。したがって、非常時電源装置としての使用態様で使用している本例では、一例として、燃料電池発電部２による発電を開始する直前（すなわち、負荷に対して商用交流から得た電力を供給していたとき）に電源装置１から電源装置１の各構成要素や負荷に対して供給していた電力量を「第２の発電量」として規定し、燃料電池発電部２による発電量がこのような発電量まで増加したときに「第２の条件」が満たされたと判別する。また、「第２の条件」が満たされたときに、主制御部９は、充放電制御部２２を制御することにより、蓄電部４から電源装置１の各構成要素および負荷への電力の供給（バッテリー２１からの放電）を終了させる（ステップ５７）。

また、主制御部９は、燃料電池発電部２によって「予め規定された第３の発電量」の発電が可能となる「第３の条件」が満たされたか否かを判別し（ステップ５８）、「第３の条件」が満たされていないときには、前述のステップ５６の処理に戻る。この場合、ヒーター３による加熱によって発電用セル１１が十分に温度上昇したときには、水素と空気（酸素）との反応によって好適な発電が可能な状態となる。また、蓄電部４による発電が開始されてからある程度の時間が経過したときには、ヒーター３による加熱とは別に、発電用セル１１における水素と空気（酸素）との反応によって発電用セル１１が温度上昇する。このため、ヒーター３による発電用セル１１の加熱を継続したときには、自身の発熱と相俟って発電用セル１１が必要以上に温度上昇させられることとなる。

したがって、本例の電源装置１では、電源装置１の各構成要素や負荷において必要とされている電力量を燃料電池発電部２において発電することが可能な温度まで発電用セル１１が温度上昇したか否かを判別してヒーター３による発電用セル１１の加熱を停止させる構成が採用されている。つまり、本例では、燃料電池発電部２による発電を開始する直前に電源装置１の各構成要素や負荷に対して供給していた電力量である上記の「第２の発電量」と同じ電力量を「第３の発電量」として規定し、燃料電池発電部２による発電量がこのような発電量まで増加したときに「第３の条件」が満たされたと判別する構成が採用されている。また、「第３の条件」が満たされたときに、主制御部９は、ヒーター３を制御して発電用セル１１の加熱を終了させて発電用セル１１の過剰な温度上昇を回避させると共に（ステップ５９）、図３に示す電力供給処理Ｂ６０を開始する。

この電力供給処理Ｂ６０は、燃料電池発電部２によって安定的に発電を行うことが可能な状態において実行される処理であって、主制御部９は、燃料電池発電部２による発電、および切替部６を介しての負荷への電力供給の処理と並行して、「蓄電開始条件」が満たされたか否かの判別（ステップ６１）、「放電開始条件」が満たされたか否かの判別（ステップ６２）、および「供給終了条件」が満たされたか否かの判別（ステップ６３）を繰り返し実行する。

この場合、本例の電源装置１では、一例として、バッテリー２１の蓄電量（残量）が蓄電可能容量の８０％以下の状態において、電源装置１の各構成要素や負荷に対して供給すべき電力量が燃料電池発電部２による発電量を下回る状態（すなわち、燃料電池発電部２による発電量が、供給先において必要とされる電力量を上回る状態：「燃料電池発電部による発電量が第２の発電量よりも多量の予め規定された第４の発電量を超え、かつ負荷に対して供給している電力量が第４の発電量を下回る状態」の一例）となり、その状態となってから、予め規定された待機時間（一例として１０秒）が経過したときに、「蓄電開始条件」が満たされたと判別する構成が採用されている。なお、本例では、一例として、燃料電池発電部２による発電量が、電源装置１の各構成要素や負荷に対して供給すべき電力量に対する１．１倍の電力量（余剰電力量が１０％となる発電量）を「第４の発電量」として、「蓄電開始条件」が満たされたか否かを判別する構成が採用されている。

また、本例の電源装置１では、バッテリー２１の蓄電量（残量）が蓄電可能容量の７０％以上の状態において、電源装置１の各構成要素や負荷に対して供給すべき電力量が燃料電池発電部２による発電量を上回る状態（すなわち、燃料電池発電部２による発電量が、供給先において必要とされる電力量に満たない状態）となり、その状態となってから、予め規定された待機時間（一例として１０秒）が経過したときに、「放電開始条件」が満たされたと判別する構成が採用されている。なお、上記の「蓄電開始条件」や「放電開始条件」における「蓄電量（残量）」、「余剰電力量」および「待機時間」の値については、操作部７の操作によって任意に変更して設定することができる。

さらに、本例の電源装置１では、負荷に対する電力の供給を停止する操作（オフ操作）が行われたり、電力を供給すべき負荷が存在しない状態（負荷の停止や、切替部６からの負荷の切断など）となったりして、負荷に対する電力の供給を継続する必要がなくなり、その状態となってから、予め規定された待機時間（一例として１０秒）が経過したときに、「供給終了条件」（「電源装置から負荷に対する電力の供給を終了する予め規定された供給終了条件」の一例）が満たされたと判別する構成が採用されている。

この際に、前述の「蓄電開始条件」が満たされたときに、主制御部９は、電源装置１の各構成要素や負荷において必要とされる電力の供給と並行して、充放電制御部２２を制御し、燃料電池発電部２によって発電された電力の蓄電部４への蓄電を開始させる（ステップ６４）。具体的には、充放電制御部２２は、バッテリー２１の蓄電量（残量）が蓄電可能容量の５０％を下回っているときには、燃料電池発電部２から出力される電力を使用してバッテリー２１を急速充電（単位時間当りの蓄電量が多い蓄電処理）すると共に、バッテリー２１の蓄電量（残量）が蓄電可能容量の５０％以上８０％以下の範囲内のときには、燃料電池発電部２から出力される電力を使用してバッテリー２１を通常の低速充電（単位時間当りの蓄電量が少ない蓄電処理）する。

これにより、前述の電力供給処理Ａ５０の開始直後に消費された電力が蓄電部４（バッテリー２１）に蓄電される。なお、詳細な説明を省略するが、電源装置１の各構成要素や負荷において必要とされる電力量が燃料電池発電部２による発電量以上となったときに、主制御部９は、充放電制御部２２を制御してバッテリー２１の蓄電を直ちに終了させ、燃料電池発電部２によって発電された電力のすべてを電源装置１の各構成要素や負荷に供給させる。また、ステップ６４の処理を継続することで蓄電部４（バッテリー２１）の蓄電量が規定値（一例として、蓄電可能容量の９０％の蓄電量）まで電力が蓄電されたときには、充放電制御部２２が、バッテリー２１に対する蓄電を終了すると共に、蓄電を終了したことを主制御部９に報知する。これに応じて、主制御部９は、発電制御部１４を制御して燃料電池発電部２による発電量を減少させる。これにより、燃料電池発電部２において不要な電力が発電される事態が回避される。

また、前述の「放電開始条件」が満たされたときに、主制御部９は、電源装置１の各構成要素や負荷に対して燃料電池発電部２によって発電された電力を継続して供給させつつ、充放電制御部２２を制御して蓄電部４からの電力の供給を開始させる（ステップ６５）。この際に、充放電制御部２２は、バッテリー２１から電力を放電させ、電源装置１の各構成要素に供給する。また、インバータ５は、蓄電部４から供給された電力を交流変換して切替部６に出力する。

なお、詳細な説明を省略するが、本例の燃料電池ユニット１では、燃料電池発電部２の発電量が発電能力の上限を下回る状態において、電源装置１の各構成要素や負荷に対して供給すべき電力量が燃料電池発電部２によるその時点の発電量を上回る状態においては、主制御部９が発電制御部１４を制御して燃料電池発電部２による発電量を増加させる。しかしながら、必要とされる発電量に応じて発電用セル１１に対する水素ガスや空気の供給量を増加させても、燃料電池発電部２から十分な量の電力が出力される状態となるまでには、ある程度の時間を要する。したがって、燃料電池発電部２から出力される電力と共に蓄電部４から出力された電力を使用することにより、電源装置１の各構成要素や負荷において電力不足が生じる事態を回避することができる。

一方、前述の「供給終了条件」が満たされたときに、主制御部９は、図４に示す停止時処理７０を開始する。この停止時処理７０は、燃料電池発電部２による発電を終了する直前に実行される処理であって、主制御部９は、まず、電源装置１から負荷への電力の供給を終了させると共に（ステップ７１）、蓄電部４（バッテリー２１）の蓄電量が規定値（一例として、蓄電可能容量の９０％の蓄電量）以下であるか否かを判別する（ステップ７２）。この際に、蓄電量が規定値以上のときに、主制御部９は、発電制御部１４を制御して燃料電池発電部２による発電を終了させ（ステップ７３）、この停止時処理７０を終了する。この際に、発電制御部１４は、流量調整部１２を制御して水素ガス源Ｈから発電用セル１１への水素ガスの供給を終了させると共に、吸引ポンプ１３を制御して発電用セル１１からの空気（酸素）の吸引（すなわち、発電用セル１１への空気（酸素）の供給）を終了させる。これにより、燃料電池発電部２による発電が終了し、電源装置１が停止状態となる。

一方、蓄電部４（バッテリー２１）の蓄電量が規定値以下のときに、主制御部９は、充放電制御部２２を制御して、燃料電池発電部２によって発電された電力の蓄電部４に対する蓄電を開始させる（ステップ７４）。この際に、充放電制御部２２は、燃料電池発電部２から出力される電力をバッテリー２１に蓄電させる。これにより、前述の電力供給処理Ａ５０の開始直後に消費された電力が蓄電部４（バッテリー２１）に順次蓄電される。次いで、主制御部９は、蓄電部４（バッテリー２１）の蓄電量が規定値に達したか否かを監視する（ステップ７５）。また、主制御部９は、蓄電量が規定値に達したとき（「蓄電部に予め規定された蓄電量の電力が蓄電されたとき」の一例）に、発電制御部１４を制御して燃料電池発電部２による発電を終了させ（ステップ７３）、この停止時処理７０を終了する。これにより、燃料電池発電部２による発電が終了し、電源装置１が停止状態となる。

なお、詳細な説明を省略するが、本例の電源装置１では、前述の電力供給処理Ａ５０や電力供給処理Ｂ６０の実行中に商用交流の供給が再開されて、電源装置１の構成要素や負荷に対して商用交流から得た電力を供給可能な状態となったときに、主制御部９は、発電制御部１４を制御して燃料電池発電部２による発電を終了させると共に、充放電制御部２２を制御して商用交流が直流変換された電力をバッテリー２１に蓄電させる。また、蓄電部４の蓄電量が規定値に達したときに、主制御部９は、充放電制御部２２を制御して充放電制御部２２への蓄電を終了させる。これにより、前述の電力供給処理Ａ５０の開始直後に消費された電力が蓄電部４（バッテリー２１）に蓄電される。

次に、独立型電源装置としての使用態様で使用する方法について説明する。なお、上記の非常時電源装置としての使用態様で使用したときに行われる処理と同様の処理については重複する説明を省略する。

独立型電源装置として使用するときには、まず、電力供給対象の負荷に電力を供給可能な場所に電源装置１を設置して、流量調整部１２に水素ガス源Ｈを接続すると共に、切替部６に負荷を接続する。次いで、操作部７を操作して電源装置１を起動させる。この際には、非常時電源装置としての使用態様での使用時とは異なり、切替部６に商用交流が接続されていないため、蓄電部４に蓄電されている電力を使用して主制御部９などが起動させられる。また、主制御部９は、切替部６からの信号に基づき、切替部６に商用交流が接続されていない（商用交流が供給されていない）と判別する。この状態において、操作部７の操作によって負荷に対する電力の供給を開始するように指示されたとき（「燃料電池発電部による発電が行われていない状態において電源装置から負荷に対する電力の供給を開始する予め規定された［供給開始条件」が満たされたとき」の他の一例）に、主制御部９は、図２に示す電力供給処理Ａ５０を実行する。

独立型電源装置としての使用時に実行される電力供給処理Ａ５０では、ヒーター３による加熱によって発電用セル１１が十分に加熱され、燃料電池発電部２において安定して十分な量の発電が行える状態となるまで、蓄電部４に蓄電されている電力が負荷に対して供給される。これにより、電力の供給を指示した直後から、負荷において必要とされる電力が電源装置１から供給される。また、ヒーター３による加熱、および発電に伴う自身の発熱によって発電用セル１１が十分に温度上昇し、燃料電池発電部２において安定して十分な量の発電が行える状態となったとき（「第３の条件」が満たされたとき）には、蓄電部４から負荷への電力供給に代わり、燃料電池発電部２によって発電された電力が負荷に対して供給される。これにより、商用交流に接続できない環境下においても、必要とされる電力が電源装置１から負荷に供給される。

また、「第３の条件」が満たされてヒーター３による発電用セル１１の加熱を終了させたときには、前述の電力供給処理Ｂ６０が実行される。さらに、「供給終了条件」が満たされたときには、前述の停止時処理７０が実行される。これにより、停止状態の電源装置１において燃料電池発電部２による発電を再び開始するのに必要な電力が蓄電部４に蓄電された状態で、電源装置１が停止させられる。

このように、この電源装置１では、燃料電池発電部２、ヒーター３、蓄電部４および制御部（主制御部９、発電制御部１４および充放電制御部２２）を備え、制御部が、燃料電池発電部２による発電が行われていない状態において予め規定された「供給開始条件」が満たされたときに、蓄電部４から電源装置１の構成要素および負荷に対する電力の供給を開始させると共に、ヒーター３による発電用セル１１の加熱を開始させ、燃料電池発電部２によって予め規定された「第１の発電量」の発電が可能となる「第１の条件」が満たされたときに、燃料電池発電部２による発電量を徐々に増加させると共に蓄電部４から負荷への電力の供給量を徐々に減少させ、燃料電池発電部２による発電量が予め規定された「第２の発電量」となる「第２の条件」が満たされたときに、蓄電部４から電源装置１の構成要素および負荷に対する電力の供給を終了させ、燃料電池発電部２によって予め規定された「第３の発電量」の発電が可能となる「第３の条件」が満たされたときに、ヒーター３による発電用セル１１の加熱を終了させ、予め規定された「供給終了条件」が満たされたときに、電源装置１から負荷への電力の供給を終了させると共に、燃料電池発電部２によって発電された電力を蓄電部４に蓄電させ、蓄電部４に予め規定された蓄電量の電力が蓄電されたときに、燃料電池発電部２による発電を終了させる。

したがって、この電源装置１によれば、停電などに起因して商用交流から電力を得られない状況や、商用交流に接続できない環境下においても、蓄電部４に蓄電されている電力を使用して起動させ、ヒーター３によって燃料電池発電部２（発電用セル１１）を加熱して好適に発電が可能な状態まで温度上昇させることができる。これにより、外部の電源装置が不要となるため、非常に利便性の高い電源装置１を提供することができる。また、燃料電池発電部２によって発電している電力を負荷に対して供給する必要がなくなったときに、次回の起動時等に必要な電力が蓄電部４に対して自動的に蓄電されるため、電源装置１の使用開始前に蓄電部４に対して電力を蓄電する作業を行わなくても、電源装置１を直ちに起動させて負荷等への電力の供給（燃料電池発電部２による発電）を迅速に開始させることができる結果、この点においても利便性を一層向上させることができる。

また、この電源装置１によれば、制御部が、燃料電池発電部２による発電量が予め規定された「第４の発電量」を超え、かつ負荷に対して供給している電力量が「第４の発電量」を下回る状態において予め規定された「蓄電開始条件」が満たされたときに、燃料電池発電部２によって発電された電力を蓄電部４に蓄電させることにより、電源装置１から負荷等に対して電力を供給している状態において、燃料電池発電部２によって発電された電力の一部（余剰な電力）が蓄電部４に対して自動的に蓄電されるため、「供給終了条件」が満たされたときに蓄電部４に対して電力を蓄電する処理に要する時間を短縮し、短時間で燃料電池発電部２による発電を終了させることができる。

また、この電源装置１によれば、制御部が、予め規定された「供給開始条件」が満たされたときに、蓄電部４から負荷に対する電力の供給を開始させると共に、「第１の条件」が満たされたときに、蓄電部４から負荷への電力の供給量を徐々に減少させ、「第２の条件」が満たされたときに、蓄電部４から前記負荷に対する電力の供給を終了させることにより、燃料電池発電部２による発電量が十分な量に達していない状態において蓄電部４から負荷等に対して電力が供給されるため、蓄電部４から負荷等に電力が供給されない構成と比較して、その利便性を一層向上させることができる。また、燃料電池発電部２による発電量の増加に伴って蓄電部４から負荷への電力の供給量を徐々に減少させることで、蓄電部４に蓄電されている電力の消費量を低減することができ、「供給終了条件」が満たされたときに蓄電部４に対して電力を蓄電する処理に要する時間を短縮し、短時間で燃料電池発電部２による発電を終了させることができる。

さらに、この電源装置１によれば、制御部が、燃料電池発電部２による発電量が負荷に供給すべき電力量を下回る状態において予め規定された「放電開始条件」が満たされたときに、燃料電池発電部２によって発電された電力を負荷に供給させつつ、蓄電部４から負荷に電力を供給させることにより、負荷に対して供給すべき電力量が燃料電池発電部２による発電量を上回ったとしても、不足する電力量を蓄電部４から負荷に対して供給して負荷を継続的に動作させることができる。

また、この電源装置１によれば、制御部が、負荷に電力を供給している商用交流が遮断されたときに、「供給開始条件」が満たされたと判別することにより、商用交流から得た電力を使用して動作している負荷を停止させることなく、電源装置１から供給される電力によってこれを継続的に動作させることができる。

さらに、この電源装置１によれば、制御部が、負荷に対する商用交流からの電力の供給が再開されたときに、「供給終了条件」が満たされたと判別することにより、負荷に対する電力の供給に影響を及ぼすことなく、次回の起動時等に必要な電力を蓄電部４に対して好適に蓄電することができる。

なお、「電源装置」の構成は、上記の電源装置１の構成の例に限定されない。

例えば、商用交流に接続可能な構成を例に挙げて説明したが、商用交流を負荷等に供給するための構成要素を備えずに、前述の独立型電源装置としての使用態様のみで使用可能な構成を採用することもできる。また、水素ガスが充填された携行型のガスタンクを水素ガス源Ｈとして流量調整部１２に接続して水素ガス源Ｈから発電用セル１１に水素ガスを供給させる構成を例に挙げて説明したが、水素ガス発生装置を水素ガス源Ｈとして接続して発電用セル１１に水素ガスを供給させる構成や、既設の水素ガス供給用配管を水素ガス源Ｈとして接続して発電用セル１１に水素ガスを供給させる構成を採用することもできる。さらに、水素ガス源Ｈとしてのガスタンクや発生装置を「電源装置」の構成要素として搭載することもできる。

１ 電源装置
２ 燃料電池発電部
３ ヒーター
４ 蓄電部
５ インバータ
６ 切替部
７ 操作部
８ 表示部
９ 主制御部
１０ 記憶部
１１ 発電用セル
１２ 流量調整部
１３ 吸引ポンプ
１４ 発電制御部
２１ バッテリー
２２ 充放電制御部
５０ 電力供給処理Ａ
６０ 電力供給処理Ｂ
７０ 停止時処理
Ｈ 水素ガス源

Claims (6)

1. 発電用セルを備えた燃料電池発電部と、
   前記発電用セルを加熱する加熱部と、
   前記燃料電池発電部によって発電された電力を蓄電可能な蓄電部と、
   前記燃料電池発電部による発電、前記加熱部による前記発電用セルの加熱、および前記蓄電部による蓄電を制御する制御部とを備え、接続された負荷に対して電力を供給可能に構成された電源装置であって、
   前記制御部は、
   前記燃料電池発電部による発電が行われていない状態において当該電源装置から前記負荷に対する電力の供給を開始する予め規定された供給開始条件が満たされたときに、前記蓄電部から当該電源装置の構成要素に対する電力の供給を開始させると共に、前記加熱部による前記発電用セルの加熱を開始させ、前記燃料電池発電部によって予め規定された第１の発電量の発電が可能となる第１の条件が満たされたときに、当該燃料電池発電部による発電量を徐々に増加させ、前記燃料電池発電部による発電量が前記第１の発電量よりも多量の予め規定された第２の発電量となる第２の条件が満たされたときに、前記蓄電部から当該電源装置の構成要素に対する電力の供給を終了させ、前記燃料電池発電部によって前記第１の発電量よりも多量の予め規定された第３の発電量の発電が可能となる第３の条件が満たされたときに、前記加熱部による前記発電用セルの加熱を終了させ、
   当該電源装置から前記負荷に対する電力の供給を終了する予め規定された供給終了条件が満たされたときに、当該電源装置から前記負荷への電力の供給を終了させると共に、前記燃料電池発電部によって発電された電力を前記蓄電部に蓄電させ、当該蓄電部に予め規定された蓄電量の電力が蓄電されたときに、当該燃料電池発電部による発電を終了させる電源装置。
2. 前記制御部は、前記燃料電池発電部による発電量が前記第２の発電量よりも多量の予め規定された第４の発電量を超え、かつ前記負荷に対して供給している電力量が当該第４の発電量を下回る状態において予め規定された蓄電開始条件が満たされたときに、当該燃料電池発電部によって発電された電力を前記蓄電部に蓄電させる請求項１記載の電源装置。
3. 前記制御部は、前記予め規定された供給開始条件が満たされたときに、前記蓄電部から前記負荷に対する電力の供給を開始させると共に、前記第１の条件が満たされたときに、前記蓄電部から前記負荷への電力の供給量を徐々に減少させ、前記第２の条件が満たされたときに、前記蓄電部から前記負荷に対する電力の供給を終了させる請求項１または２記載の電源装置。
4. 前記制御部は、前記燃料電池発電部による発電量が前記負荷に供給すべき電力量を下回る状態において予め規定された放電開始条件が満たされたときに、当該燃料電池発電部によって発電された電力を当該負荷に供給させつつ、前記蓄電部から当該負荷に電力を供給させる請求項３記載の電源装置。
5. 前記制御部は、前記負荷に電力を供給している商用交流が遮断されたときに、前記供給開始条件が満たされたと判別する請求項１または２記載の電源装置。
6. 前記制御部は、前記負荷に対する前記商用交流からの電力の供給が再開されたときに、前記供給終了条件が満たされたと判別する請求項５記載の電源装置。

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