JP6137885B2 - 燃料電池発電システム - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池発電装置を備える燃料電池発電システムに関する。

特許文献１には、燃料電池部、及び、電力系統から交流線への電力供給が正常に行われる正常状態になると交流線に燃料電池部の発電電力を出力する連系運転を行い、電力系統から交流線への電力供給が正常に行われない異常状態になると電力系統から電気的に切り離された自立電力線に燃料電池部の発電電力を出力する自立運転を行うように構成されている発電制御手段を有する燃料電池発電装置が記載されている。この燃料電池発電装置を備える燃料電池発電システムは、異常状態において自立電力線を介して燃料電池発電装置から電力の供給を受ける電気コンセントを備える。

また、発電装置を外部の電力系統に連系して運転する場合、その電力系統を管理する電力会社からの許諾を受けるための系統連系手続き、即ち、使用者の識別処理を行うことが求められる。特許文献２は、そのような使用者の識別処理を行うシステムの一例を記載している。具体的には、特許文献２に記載のシステムは、電力系統に連系して運転される発電装置（熱電併給装置）と、その発電装置の運転を制御する運転制御部と、登録識別情報（即ち、連系運転を行うことが許可されていることを示す情報）を記憶するメモリとを備えている。

特開２００８−１０８６６６号公報 特開２００６−１５８０６８号公報

特許文献２には、発電装置を電力系統に連系させずに自立運転させることについての記載はないが、特許文献２に記載のシステムが備える発電装置を、特許文献１に記載されているように連系運転だけでなく自立運転も行えるような構成に変更した場合、以下のような発電装置になることを想定できる。

即ち、発電装置は、メモリに連系運転を行うことが許可されていることを示す情報が記憶されていなくても自立運転を行うことを許容する構成となる。なぜならば、自立運転を行っている間、発電装置は電力系統に連系されないからである。更に、発電装置が自立運転を行っている状態において、電力系統から交流線への電力供給が異常状態から正常状態に切り替わったとき、発電装置は、連系運転を行うことが許可されているか否かに関わらず、先ず自動的に連系運転に切り替わる。そして、発電装置は、連系運転に切り替わると共に、連系運転を行うことが許可されているか否かを判定する。その結果、発電装置は、連系運転を行うことを許可されていると判定できれば連系運転に切り替えたままで発電運転を維持する。これに対して、発電装置は、連系運転を行うことを許可されていると判定できなければ連系運転に切り替えた後の発電運転を停止して、電力系統を管理する電力会社からの許諾を受けていない連系運転を強制的に中止させる。

尚、連系運転を行うことが許可されていることを示す情報がメモリに記憶されていたとしても、発電装置が自立運転を行っている途中に失われてしまう可能性もある。
例えば、発電装置を自立運転させているときに使用できる電力はその発電装置の最大発電電力以内である。そして、最大発電電力以上の電力負荷が発電装置に接続された場合、例えば、発電装置から電力負荷への電力の供給を停止又は設定時間の間停止した後に再び電力の供給を開始する電力供給中断処理が行われる。但し、発電装置からの電力の供給を再開したとしても、発電装置の最大発電電力以上の電力負荷が接続されたままであれば、上記電力供給中断処理が繰り返されることになる。

このような電力供給中断処理が行われると発電装置から電力負荷への給電は行われず、また、発電装置からの電力の供給と中断とが繰り返されたとしても発電装置から電力負荷への給電は僅かな期間しか行われない。通常、メモリなどには、電力供給が行われなくなったとしてもキャパシタに蓄えられている電力が供給される。そのためメモリに記憶されている、連系運転を行うことが許可されていることを示す情報などが失われる可能性は低いが、電力供給中断処理が行われ或いは繰り返されてキャパシタに蓄えられている電荷が次第に減少し、最終的には蓄えられている電荷が無くなってしまうと、そのような情報も失われてしまうことになる。そして、連系運転を行うことが許可されていることを示す情報が失われてしまうと、電力系統からの電力供給が異常状態から正常状態になったとき、発電装置が連系運転を行うことを許可されていると判定できなくなるため、連系運転に切り替わった発電装置の運転が停止されることになる。特に、燃料電池発電装置のように起動・停止によって装置内部の温度が大きく上下するような装置では、燃料電池発電装置の起動・停止時に装置内部の部品の劣化を進めてしまう可能性がある。また、燃料電池発電装置を一旦停止してしまうと、再び発電運転させるためにある程度の期間が必要になるため、燃料電池発電装置の使用者に不便を強いることになる。

本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、燃料電池発電装置の不必要な停止を抑制可能な燃料電池発電システムを提供する点にある。

上記目的を達成するための本発明に係る燃料電池発電システムの特徴構成は、燃料電池部、及び、電力系統から交流線への電力供給が正常に行われる正常状態になると前記交流線に前記燃料電池部の発電電力を出力する連系運転を行い、前記電力系統から前記交流線への電力供給が正常に行われない異常状態になると前記電力系統から電気的に切り離された自立電力線に前記燃料電池部の発電電力を出力する自立運転を行うように構成されている発電制御手段を有する燃料電池発電装置と、
給電線に接続され、前記異常状態において当該給電線が接続される前記自立電力線を介した前記燃料電池発電装置からの電力の供給を受ける自立運転時用電気端子とを備える燃料電池発電システムであって、
前記正常状態においては前記交流線を介した電力の供給を受け、前記異常状態においては前記自立電力線を介した前記燃料電池発電装置からの電力の供給を受ける電力負荷装置を備え、
前記電力負荷装置は、充電式電池を有し、前記交流線から自身への電力の供給及び前記燃料電池発電装置から前記自立電力線を介しての自身への電力の供給の何れもが停止されると前記充電式電池からの電力の供給を受けて動作し、及び、電力の供給を受けている間は前記燃料電池発電装置が前記連系運転を行うことを許可されているか否かについての連系許否情報を記憶すると共に当該連系許否情報を設定タイミングで前記燃料電池発電装置に伝達するように構成され、
前記燃料電池発電装置の前記発電制御手段は、前記連系運転を行っているときに前記電力負荷装置から伝達される前記連系許否情報を参照して前記連系運転を行うことを許可されていると判定できないと、前記燃料電池部の発電運転を停止させるように構成され、
前記燃料電池発電装置から前記自立運転時用電気端子へ至る間の前記給電線の途中に電力供給の開始を遅延させるディレイ回路を有し、
前記燃料電池発電装置が前記自立電力線への電力の供給を開始するとき、前記ディレイ回路による遅延作用によって、前記燃料電池発電装置から前記自立電力線を介した電力の供給が、前記自立運転時用電気端子よりも前記電力負荷装置に対して時間的に優先して開始されるように構成されている点にある。

上記特徴構成によれば、燃料電池発電装置が自立電力線への電力の供給を開始する度に、電力負荷装置には電力が優先して供給されて電力負荷装置の充電式電池の電池容量が増加する。従って、電力負荷装置では充電式電池の電池容量が零になる可能性が低くなるので、充電式電池の電池容量が零になった場合に発生し得る連系許否情報の喪失を回避できる。本特徴構成では、燃料電池発電装置の発電制御手段が、連系運転を行っているときに、電力負荷装置から伝達される連系許否情報を参照して連系運転を行うことを許可されていると判定できないと燃料電池部の発電運転を停止させるように構成されているが、上述したように電力負荷装置で充電式電池の電池容量が零になった場合に発生し得る連系許否情報の喪失が回避できるので、本特徴構成の燃料電池発電システムでは、連系許否情報の喪失を原因として燃料電池発電装置が連系運転に切り替わった途端に停止するといった事象の発生を回避できる。
従って、燃料電池発電装置の不必要な停止によって燃料電池発電装置の劣化が進むという問題を回避でき、及び、燃料電池発電装置が不必要に停止することで使用者に不便を強いるという問題も回避できる。
加えて、上記ディレイ回路によって燃料電池発電装置から自立運転時用電気端子への電力供給の開始が遅延して、燃料電池発電装置から自立運転時用電気端子への電力供給が未だ開始されていない間に燃料電池発電装置から電力負荷装置への電力供給が優先して行われることになる。そして、その間に電力負荷装置の充電式電池の電池容量の増加が有効に行われる。その結果、その後で、燃料電池発電装置から自立運転時用電気端子への電力供給が開始され、燃料電池発電装置の発電制御手段が、電力負荷装置による消費電力と自立運転時用電気端子に接続される自立時用電力負荷装置による消費電力との和が設定上限電力以上であるという理由で自立電力線への前記燃料電池部からの電力の供給を停止又は設定時間の間停止したとしても、電力負荷装置の充電式電池の電池容量は先に増加しているので、電力負荷装置では充電式電池の電池容量が零になる可能性が低くなる。つまり、充電式電池の電池容量が零になった場合に発生し得る連系許否情報の喪失の可能性を低くすることができる。

本発明に係る燃料電池発電システムの別の特徴構成は、前記燃料電池発電装置の前記発電制御手段は、前記自立運転を行っているときに、前記電力負荷装置による消費電力と、前記自立運転時用電気端子に接続される自立時用電力負荷装置による消費電力との和が設定上限電力以上になると、前記自立電力線への前記燃料電池部からの電力の供給を停止する又は設定時間の間停止した後に前記自立電力線への前記燃料電池部からの電力の供給を再開する電力供給中断処理を行うように構成されている点にある。

上記特徴構成によれば、燃料電池発電装置の発電制御手段が上記電力供給中断処理を行うことで、燃料電池発電装置が過負荷状態で運転されることを回避できる。また、上記電力供給中断処理が行われて燃料電池発電装置から自立電力線を介した電力負荷装置への電力供給が一時的に停止されても、充電式電池の電池容量によって連系許否情報は電力負荷装置において保持され続ける。また、燃料電池発電装置の発電制御手段が電力供給中断処理を行う又は繰り返すと、電力負荷装置の充電式電池の電池容量は減少するが、燃料電池発電装置が自立電力線への電力の供給を開始（再開）する段階で、燃料電池発電装置から自立電力線を介した電力の供給が、自立運転時用電気端子よりも電力負荷装置に対して時間的に優先して開始される。そして、燃料電池発電装置が自立電力線への電力の供給を開始（再開）する度に、電力負荷装置には電力が優先して供給されて、電力負荷装置の充電式電池の電池容量が増加する。従って、電力負荷装置では充電式電池の電池容量が零になる可能性が低くなるので、充電式電池の電池容量が零になった場合に発生し得る連系許否情報の喪失を回避できる。

本発明に係る燃料電池発電システムの更に別の特徴構成は、前記電力負荷装置は、前記燃料電池発電装置からの排熱を回収する排熱回収装置である点にある。

上記特徴構成によれば、排熱回収装置は、燃料電池発電装置が連系運転を行っているときは交流線を介した電力の供給を受けて動作することができ、及び、燃料電池発電装置が自立運転を行っているときは燃料電池発電装置から自立電力線を介した電力の供給を受けて動作することができる。つまり、排熱回収装置は、燃料電池発電装置が連系運転を行っているとき及び自立運転を行っているときの両方で、燃料電池発電装置からの排熱を回収することができる。その結果、運転中の燃料電池発電装置の冷却を行って、燃料電池発電装置が過熱することを防止できる。

本発明に係る燃料電池発電システムの更に別の特徴構成は、前記自立運転時用電気端子は電気コンセントとして構成されている点にある。

上記特徴構成によれば、自立運転時用電気端子である電気コンセントに様々な電気機器を取り付けることができる。つまり、電力系統からの電力供給が正常に行われていない異常状態において、所望の電気機器を電気コンセントに接続して利用することができる。

第１実施形態の燃料電池発電システムの構成を示す図である。 第１実施形態の自動電源切替器の内部の構成例を示す図である。 第１実施形態の燃料電池発電システムにおける連系時及び自立時での電力の供給形態を示す図である。 第２実施形態の燃料電池発電システムの構成を示す図である。 第２実施形態の自動電源切替器の内部の構成例を示す図である。 第２実施形態の燃料電池発電システムにおける連系時及び自立時での電力の供給形態を示す図である。

＜第１実施形態＞
以下に図面を参照して第１実施形態の燃料電池システムの構成について説明する。
図１は、第１実施形態の燃料電池発電システムの構成を示す図である。図１に示すように、燃料電池発電システムは、燃料電池発電装置１０と排熱回収装置２０（本発明の「電力負荷装置」に対応）と電気コンセント７（本発明の「自立運転時用電気端子」に対応）とを備える。

燃料電池発電装置１０は、燃料電池部１１及び発電制御手段１２を有する。加えて、本実施形態で説明する燃料電池発電装置１０は、電力監視手段１３及び記憶手段１４を備えている。

燃料電池部１１は、水素などの燃料ガスが供給されるアノードと酸素が供給されるカソードとを有するセルが複数個積層されたセルスタックを有して構成される。燃料電池部１１は、固体高分子形のセルや固体酸化物形のセルなど、様々なタイプのセルを用いて構成することができる。また、燃料電池部１１は、炭化水素やアルコールの水蒸気改質によって燃料ガスを生成する燃料ガス生成装置を併せて備えていることもある。

燃料電池部１１で発生された電力は、インバータなどの電力変換器（図示せず）を介して連系電力線５及び自立電力線６の何れか一方に出力される。燃料電池部１１から連系電力線５に発電電力が供給されている状態は、燃料電池発電装置１０が連系運転を行っている状態であると言える。これに対して、燃料電池部１１から自立電力線６に発電電力が供給されている状態は、燃料電池発電装置１０が自立運転を行っている状態であると言える。また、連系電力線５は、電力系統１に接続される交流線２に対して接続され、その交流線２は自動電源切替器３に接続されている。自立電力線６は自動電源切替器３に、上記交流線２とは別に接続されている。自動電源切替器３は、図３を参照して後述するように、排熱回収装置２０及び電気コンセント７にとっての電力供給元を、交流線２を介して供給される電力、及び、自立電力線６を介して供給される電力の何れかに自動的に切り替えるように動作する。

燃料電池発電装置１０の発電制御手段１２は、電力系統１から交流線２への電力供給が正常に行われる正常状態になると交流線２に燃料電池部１１の発電電力を出力する連系運転を行い、電力系統１から交流線２への電力供給が正常に行われない異常状態になると電力系統１から電気的に切り離された自立電力線６に燃料電池部１１の発電電力を出力する自立運転を行う切替処理を実施する。本実施形態では、発電制御手段１２は、電力系統１から交流線２への電力供給が正常に行われる正常状態であるか、或いは、電力系統１から交流線２への電力供給が正常に行われない異常状態であるかを、電力監視手段１３の監視結果に基づいて判定する。例えば、電力監視手段１３は、電力系統１と電気的に接続されている交流線２での電力の電圧を検出する。そして、発電制御手段１２は、検出された電圧値が設定下限電圧以上であれば電力系統１から交流線２への電力供給が正常に行われている正常状態であると判定し、検出された電圧値が設定加減電圧未満であれば電力系統１から交流線２への電力供給が正常に行われていない異常状態であると判定する。
燃料電池発電装置１０の記憶手段１４は、燃料電池発電装置１０で取り扱われる様々な情報を記憶する。

排熱回収装置２０は、燃料電池発電装置１０からの排熱を回収するように構成されている。例えば、排熱回収装置２０が有する排熱回収手段２２は、燃料電池部１１のセルスタックを冷却する（即ち、燃料電池部１１からの排熱を回収する）冷却水が有する熱を回収し、蓄熱装置などにその回収した熱を蓄えるように構成されている。つまり、排熱回収手段２２は、冷却水やその冷却水と熱交換する熱媒の循環路や、その熱媒の循環路の途中に設けられて熱媒を流動させるための電動式ポンプや、電磁弁や、回収した熱を蓄える蓄熱装置等で構成される。従って、排熱回収装置２０では、燃料電池部１１のセルスタックを冷却するために、燃料電池発電装置１０の連系運転が行われている間及び自立運転が行なわれている間の何れにおいても、排熱回収手段２２を動作させて排熱を回収する運転を行う必要があり、その結果として電力が消費されることになる。排熱回収装置２０への外部からの電力供給は、排熱回収装置２０に接続される給電線３２を介して行われる。

また、排熱回収装置２０は、電解コンデンサ（キャパシタ）などの充電式電池２１を有し、交流線２及び自動電源切替器３及び給電線３２を介した自身への電力の供給、並びに、燃料電池発電装置１０から自立電力線６及び自動電源切替器３及び給電線３２を介した自身への電力の供給の何れもが停止されると、充電式電池２１からの電力の供給を受けて動作するように構成されている。加えて、排熱回収装置２０は、電力の供給を受けている間は燃料電池発電装置１０が連系運転を行うことを許可されているか否かについての連系許否情報を記憶すると共に当該連系許否情報を設定タイミングで燃料電池発電装置１０に伝達するように構成されている。

この連系許否情報は、電力会社などが管理する電力系統１に燃料電池発電装置１０などの電源を連系して運転する場合に、その電力会社からの許諾を受けるための系統連系手続きが適正に行われているか否かを判定するために用いられる情報である。例えば、排熱回収装置２０の排熱回収制御手段２３は、所定の使用者認証タイミングになると、燃料電池発電装置１０の使用者が連系運転を許可されている正当な使用者であるか否かの認証処理、例えば、暗証番号の入力を求めてその暗証番号が有効なものであるか否かの認証処理、を実行する。そして、排熱回収制御手段２３は、入力された暗証番号が有効なものであるか否かを判定し、その入力された暗証番号及びその暗証番号が有効であるか否か等について記憶手段２４に記憶させる。排熱回収装置２０と燃料電池発電装置１０との間は図示しない通信線で接続されており、その通信線を介して、排熱回収装置２０から燃料電池発電装置１０へ設定タイミングで連系許否情報が伝達される。従って、本実施形態では、入力された暗証番号が有効であるか否かの情報が、本発明の「連系許否情報」に対応する。
燃料電池発電装置１０では、発電制御手段１２が、排熱回収装置２０から伝達された連系許否情報を記憶手段１４に記憶させる。

図１に示すシステムでは、一般電力負荷装置４及び自立時用電力負荷装置９を記載している。一般電力負荷装置４は、電力系統１と接続される交流線２に対して電気的に接続されている。従って、一般電力負荷装置４は、電力系統１から交流線２への電力供給が正常に行われる正常状態においては電力の供給を受けることができるが、電力系統１から交流線２への電力供給が正常に行われていない異常状態においては電力の供給を受けることができない。従って、本実施形態で言う一般電力負荷装置４は、異常状態において電力の供給を受ける必要性が低い装置（例えば、一部の照明装置等）である。

これに対して、自立時用電力負荷装置９は、後述するように、電力系統１から交流線２への電力供給が正常に行われない異常状態において燃料電池発電装置１０から電力の供給を受けることができる。自立時用電力負荷装置９に電力が供給されるのは、給電線３１及び電気コンセント７に対して自動電源切替器３を介して電力が供給され、且つ、電気コンセント７に対して電気プラグ８が接続されているときである。自立時用電力負荷装置９は、使用者が電力系統１から交流線２への電力供給が正常に行われない異常状態においても利用したいと考える重要度の高い装置（例えば、一部の照明機器、冷蔵庫など）である。尚、本実施形態の燃料電池発電システムは、燃料電池発電装置１０から電気コンセント７へ至る間の給電線３１の途中に、即ち、自動電源切替器３と電気コンセント７との間に、電力供給の開始を遅延させるディレイ回路３０を有する。ディレイ回路３０については、公知の電気回路を利用できる。

図２は、第１実施形態の自動電源切替器３の内部の構成例を示す図である。特に、図２（ａ）は燃料電池発電装置１０で連系運転が行われているときに自動電源切替器３の内部で構築される電気回路を示し、図２（ｂ）は燃料電池発電装置１０で自立運転が行われているときに自動電源切替器３の内部で構築される電気回路を示す。

図２（ａ）及び図２（ｂ）に示すように、本実施形態の自動電源切替器３の内部には、交流線２と自立電力線６と給電線３１と給電線３２とが引き込まれている。例えば、それらは自動電源切替器３が内部に有する端子台などに接続されるが、図２では端子台等の記載は省略する。自動電源切替器３の内部に設けられるリレースイッチ３６は、３つの端子３６ａ、３６ｂ、３６ｃを有し、端子３６ａ及び端子３６ｂの間が接続された状態と、端子３６ａ及び端子３６ｃの間が接続された状態との何れかの状態に切り換えられる。端子３６ａには、排熱回収装置２０に接続される給電線３２が接続される。端子３６ｂには、交流線２が接続される。端子３６ｃには、自立電力線６が接続される。また、自動電源切替器３の内部において、交流線２の途中にはリレースイッチ３４が設けられている。リレースイッチ３４は、端子３４ａ、３４ｂを有し、端子３４ａ及び端子３４ｂの間が接続された状態と、端子３４ａ及び端子３４ｂの間が切断された状態の何れかの状態に切り換えられる。加えて、自動電源切替器３の内部において、自立電力線６の途中には、リレーコイル３３とリレーコイル３５とが設けられる。リレーコイル３３に電流が流れて電磁力が生じると、その電磁力はリレースイッチ３４に作用する。リレーコイル３５に電流が流れて電磁力が生じると、その電磁力はリレースイッチ３６に作用する。

次に、図２（ａ）及び図２（ｂ）を参照して、燃料電池発電装置１０で連系運転が行われているとき及び自立運転が行われているときの夫々での自動電源切替器３の内部の状態について説明する。図２（ａ）及び図２（ｂ）では、電力供給が行われる部位を太線で描き、電力供給が行われない部位を細線で描いている。

図２（ａ）に示すように、燃料電池発電装置１０で連系運転が行われているとき、交流線２に電流は流れているが、自立電力線６に電流は流れていない。この状態では、自立電力線６の途中に設けられているリレーコイル３３、３５で電磁力は生じないため、リレースイッチ３４、３６に電磁力は作用しない。その結果、リレースイッチ３４は端子３４ａ及び端子３４ｂの間が接続された状態に切り換わり、リレースイッチ３６は端子３６ａ及び端子３６ｂの間が接続された状態に切り換わる。そして、交流線２に流れる電流がリレースイッチ３４及びリレースイッチ３６を通って給電線３２に流れることで、排熱回収装置２０への電力供給が行われる。

これに対して、図２（ｂ）に示すように、燃料電池発電装置１０で自立運転が行われているとき、自立電力線６に電流は流れているが、交流線２に電流は流れていない。この状態では、自立電力線６の途中に設けられているリレーコイル３３、３５で電磁力が生じ、リレースイッチ３４、３６にその電磁力が作用する。その結果、リレースイッチ３４は端子３４ａ及び端子３４ｂの間が切断された状態に切り換わり、リレースイッチ３６は端子３６ａ及び端子３６ｃが接続された状態に切り換わる。そして、自立電力線６に流れる電流がリレースイッチ３６を通って給電線３２に流れることで、排熱回収装置２０への電力供給が行われる。また、自立電力線６から分岐する給電線３１にも電流が流れ、その結果、給電線３１に接続される電気コンセント７にも電力が供給される。

次に、連系時及び自立時における電力の供給形態について説明する。
図３は、連系時及び自立時における電力の供給形態を示す図である。具体的には、図３（ａ）は燃料電池発電装置１０が連系運転を行っているときの電力の供給形態を示す図であり、図３（ｂ）は燃料電池発電装置１０が自立運転を行っているときの電力の供給形態を示す図である。尚、図３（ａ）及び図３（ｂ）では、図面の簡略化のため、自動電源切替器３の内部の構成（即ち、図２で示した構成）についての記載を省略している。また、図３（ａ）及び図３（ｂ）では、電力供給が行われる部位を太線で描き、電力供給が行われない部位を細線で描いている。

図３（ａ）に示すように、燃料電池発電装置１０が連系運転を行っているとき、燃料電池発電装置１０の発電制御手段１２は、燃料電池部１１の発電電力を連系電力線５を介して交流線２に供給し、燃料電池部１１の発電電力を自立電力線６には供給しない。加えて、図２（ａ）に示したように、自動電源切替器３は、交流線２と給電線３２及び排熱回収装置２０とが電気的に接続されるような電気回路を構築する。それと併せて、自動電源切替器３は、交流線２と給電線３１とを電気的に切断し、給電線３１には電力が供給されないような電気回路を構築する。その結果、一般電力負荷装置４及び排熱回収装置２０に対して、電力系統１から交流線２に供給される電力及び燃料電池発電装置１０から交流線２に供給される電力の少なくとも何れか一方の電力が供給されることになる。

図３（ｂ）に示すように、燃料電池発電装置１０が自立運転を行っているとき、燃料電池発電装置１０の発電制御手段１２は、燃料電池部１１の発電電力を自立電力線６に供給し、燃料電池部１１の発電電力を連系電力線５には供給しない。加えて、図２（ｂ）に示したように、自動電源切替器３は、自立電力線６と給電線３２及び排熱回収装置２０とが電気的に接続されるような電気回路を構築する。その結果、排熱回収装置２０には、燃料電池発電装置１０から自立電力線６及び給電線３２を介して電力が供給されることになる。同時に、自立電力線６から分岐する給電線３１にも電力が供給される。この場合、給電線３１に接続される電気コンセント７には電力が供給されているので、自立時用電力負荷装置９の使用者は、自立時用電力負荷装置９が接続されている電気プラグ８を電気コンセント７に差し込むことで、自立時用電力負荷装置９に電力を供給することができる。

但し、燃料電池発電システムは、燃料電池発電装置１０が自立電力線６への電力の供給を開始するとき、燃料電池発電装置１０から自立電力線６を介した電力の供給が、電気コンセント７よりも排熱回収装置２０に対して時間的に優先して開始されるように構成されている。具体的には、燃料電池発電装置１０から電気コンセント７へ至る間の給電線３１の途中に、即ち、自動電源切替器３と電気コンセント７との間に、電力供給の開始を遅延させるディレイ回路３０を有する。その結果、燃料電池発電装置１０から自立電力線６への電力供給が開始されたとしても、ディレイ回路３０の遅延作用によって燃料電池発電装置１０から電気コンセント７への電力供給の開始が遅延して、燃料電池発電装置１０から電気コンセント７への電力供給が未だ開始されていない間に、燃料電池発電装置１０から排熱回収装置２０への電力供給が優先して行われることになる。

図３（ａ）に示すように燃料電池発電装置１０が連系運転を行っているときであれば、交流線２には電力系統１からも電力が供給されるため、一般電力負荷装置４の消費電力は、燃料電池発電装置１０が連系電力線５に供給する電力を上回っていてもよい。これに対して図３（ｂ）に示すように燃料電池発電装置１０が自立運転を行っているときであれば、自立電力線６には電力系統１からの電力の補給が行われない。そこで、燃料電池発電装置１０の発電制御手段１２は、自立運転を行っているときに、排熱回収装置２０による消費電力と、電気コンセント７に接続される自立時用電力負荷装置９による消費電力との和が設定上限電力以上になると、自立電力線６への燃料電池部１１からの電力の供給を停止する又は設定時間の間停止した後に自立電力線６への燃料電池部１１からの電力の供給を再開する電力供給中断処理を行う。この電力供給中断処理により、燃料電池発電装置１０が過負荷状態で運転されることを回避できる。
つまり、本実施形態において、燃料電池発電装置１０の発電制御手段１２は、負荷側を監視して（即ち、排熱回収装置２０及び自立時用電力負荷装置９の消費電力の和が設定上限電力以上であるか否かを監視して）行う上記電力供給中断処理と、電力系統１側を監視して（即ち、電力系統１からの電力供給が正常状態であるか異常状態であるかを監視して）連系運転と自立運転とを切り替える上記切替処理とを並行して実施している。

自立運転中の燃料電池発電装置１０でこの電力供給中断処理が行われることで燃料電池発電装置１０から排熱回収装置２０に電力の供給が中断されているとき、排熱回収装置２０の内部の電気機器（例えば、排熱回収制御手段２３を実現するためのマイコン等）は充電式電池２１から供給される電力で動作する。その結果、排熱回収装置２０の充電式電池２１の電池容量は、燃料電池発電装置１０でこの電力供給中断処理が行われている間は単調に減少する。

このような状態において、燃料電池発電装置１０の発電制御手段１２が、燃料電池部１１から自立電力線６への電力の供給を再開すると、自立電力線６に対して自動電源切替器３を介して接続されている給電線３２及び排熱回収装置２０への電力の供給、及び、自立電力線６に対して自動電源切替器３を介して接続されている給電線３１への電力の供給が同時に再開される。但し、給電線３１の途中にはディレイ回路３０が介装され、燃料電池発電装置１０から電気コンセント７への電力供給の開始が遅延する。つまり、ディレイ回路３０による遅延作用によって、燃料電池発電装置１０から自立電力線６を介した電力の供給が、電気コンセント７よりも排熱回収装置２０に対して時間的に優先して開始される。従って、燃料電池発電装置１０から電気コンセント７への電力供給が未だ開始されていない間に、燃料電池発電装置１０から排熱回収装置２０への電力供給が優先して行われ、排熱回収装置２０の充電式電池２１の電池容量の増加が有効に行われる。

その後、燃料電池発電装置１０から電気コンセント７への電力供給が開始されるが、排熱回収装置２０による消費電力と、電気コンセント７に接続される自立時用電力負荷装置９による消費電力との和が設定上限電力以上のままであると、再び、燃料電池発電装置１０の発電制御手段１２は、自立電力線６への燃料電池部１１からの電力の供給を停止又は設定時間の間停止する。従って、排熱回収装置２０の充電式電池２１の電気容量が再び減少傾向となる。

このように、燃料電池発電装置１０が自立運転を行っているときに、排熱回収装置２０による消費電力と、電気コンセント７に接続される自立時用電力負荷装置９による消費電力との和が設定上限電力以上になっている限り、排熱回収装置２０及び電気コンセント７には燃料電池発電装置１０からの電力の供給と停止とが交互に繰り返されることになる。但し、排熱回収装置２０に対する電力の供給と停止とが交互に繰り返されたとしても、上述したディレイ回路３０の遅延作用によって、燃料電池発電装置１０から電気コンセント７への電力供給が未だ開始されていない間に、燃料電池発電装置１０から排熱回収装置２０への電力供給が優先して行われ、排熱回収装置２０の充電式電池２１の電池容量の増加が有効に行われる。その結果、排熱回収装置２０では充電式電池２１の電池容量が零になる可能性が低くなり、充電式電池２１の電池容量が零になった場合に発生し得る連系許否情報の喪失の可能性が低くなる。

これに対して、本実施形態のようなディレイ回路３０を燃料電池発電システムが備えていないとすると、燃料電池発電装置１０で上記電力供給中断処理が繰り返されている間に充電式電池２１の電池容量は徐々に減少して、最終的には充電式電池２１の電池容量が零になる可能性がある。そして、充電式電池２１の電池容量が零になった場合には、例えば、記憶手段２４に記憶されている情報が失われてしまうことにもなる。更に、例えば、排熱回収装置２０の記憶手段２４に記憶されている連系許否情報（入力された暗証番号が有効であるか否かの情報）が、充電式電池２１の電池容量が零になることで失われてしまうと、排熱回収装置２０から燃料電池発電装置１０へは、「連系運転を行うことを許可されていない」との連系許否情報が伝達されることになる。この場合、燃料電池発電装置１０の記憶手段１４に「連系運転を行うことを許可されていない」との連系許否情報を記憶したままで連系運転を開始すると、燃料電池発電装置１０の発電制御手段１２は、燃料電池部１１の運転を停止させることになる。その結果、燃料電池発電装置１０の劣化が進むという問題が生じ、及び、燃料電池発電装置１０が不必要に停止することで使用者に不便を強いるという問題が生じる。

以上のように、上記電力供給中断処理が行われたか否かに関係なく、燃料電池発電装置１０が自立電力線６への電力の供給を開始する度に、排熱回収装置２０には電力が優先して供給されて排熱回収装置２０の充電式電池２１の電池容量が増加する。従って、排熱回収装置２０では充電式電池２１の電池容量が零になる可能性が低くなるので、充電式電池２１の電池容量が零になった場合に発生し得る連系許否情報の喪失を回避できる。本実施形態では、燃料電池発電装置１０の発電制御手段１２が、連系運転を行っているときに、排熱回収装置２０から伝達される連系許否情報を参照して連系運転を行うことを許可されていると判定できないと燃料電池部１１の発電運転を停止させるように構成されているが、上述したように排熱回収装置２０で充電式電池２１の電池容量が零になった場合に発生し得る連系許否情報の喪失が回避できるので、本実施形態の燃料電池発電システムでは、連系許否情報の喪失を原因として燃料電池発電装置１０が連系運転に切り替わった途端に停止するといった事象の発生を回避できる。従って、燃料電池発電装置１０の不必要な停止によって燃料電池発電装置１０の劣化が進むという問題を回避でき、及び、燃料電池発電装置１０が不必要に停止することで使用者に不便を強いるという問題も回避できる。

＜第２実施形態＞
第２実施形態の燃料電池発電システムは、自立電力線の構成が上記第１実施形態と異なっている。以下に第２実施形態の燃料電池発電システムについて説明するが、第１実施形態と同様の構成については説明を省略する。

図４は、第２実施形態の燃料電池発電システムの構成を示す図である。図５は、第２実施形態の自動電源切替器３の内部の構成例を示す図である。特に、図５（ａ）は燃料電池発電装置１０で連系運転が行われているときに自動電源切替器３の内部で構築される電気回路を示し、図５（ｂ）は燃料電池発電装置１０で自立運転が行われているときに自動電源切替器３の内部で構築される電気回路を示す。

図４及び図５に示すように、第２実施形態の燃料電池発電システムにおいて、自立電力線６は、第１自立電力線６ａと第２自立電力線６ｂとを有する。また、図５（ａ）及び図５（ｂ）に示すように、本実施形態の自動電源切替器３の内部には、交流線２と自立電力線６（６ａ、６ｂ）と給電線３１と給電線３２とが引き込まれている。例えば、それらは自動電源切替器３が内部に有する端子台などに接続されるが、図５では端子台等の記載は省略する。図２に示した形態では、リレースイッチ３６に接続される自立電力線６に対して給電線３１も接続されていたが、本実施形態では、図５に示すように、リレースイッチ３６に接続される第１自立電力線６ａと、給電線３１に接続される第２自立電力線６ｂとは独立している。自動電源切替器３の内部に設けられるリレースイッチ３６は、３つの端子３６ａ、３６ｂ、３６ｃを有し、端子３６ａ及び端子３６ｂの間が接続された状態と、端子３６ａ及び端子３６ｃの間が接続された状態との何れかの状態に切り換えられる。端子３６ａには、排熱回収装置２０に接続される給電線３２が接続される。端子３６ｂには、交流線２が接続される。端子３６ｃには、第１自立電力線６ａが接続される。また、自動電源切替器３の内部において、交流線２の途中にはリレースイッチ３４が設けられている。リレースイッチ３４は、端子３４ａ、３４ｂを有し、端子３４ａ及び端子３４ｂの間が接続された状態と、端子３４ａ及び端子３４ｂの間が切断された状態の何れかの状態に切り換えられる。加えて、自動電源切替器３の内部において、第１自立電力線６ａの途中には、リレーコイル３３とリレーコイル３５とが設けられる。リレーコイル３３に電流が流れて電磁力が生じると、その電磁力はリレースイッチ３４に作用する。リレーコイル３５に電流が流れて電磁力が生じると、その電磁力はリレースイッチ３６に作用する。第２自立電力線６ｂには、給電線３１が接続される。

次に、図５（ａ）及び図５（ｂ）を参照して、燃料電池発電装置１０で連系運転が行われているとき及び自立運転が行われているときの夫々での自動電源切替器３の内部の状態について説明する。図５（ａ）及び図５（ｂ）では、電力供給が行われる部位を太線で描き、電力供給が行われない部位を細線で描いている。尚、本実施形態でも、燃料電池発電装置１０の発電制御手段１２は、電力系統１から交流線２への電力供給が正常に行われる正常状態になると交流線２に燃料電池部１１の発電電力を出力する連系運転を行い、電力系統１から交流線２への電力供給が正常に行われない異常状態になると電力系統１から電気的に切り離された自立電力線６（６ａ、６ｂ）に燃料電池部１１の発電電力を出力する自立運転を行う切替処理を実施する。

図５（ａ）に示すように、燃料電池発電装置１０で連系運転が行われているとき、交流線２に電流は流れているが、自立電力線６（６ａ、６ｂ）に電流は流れていない。この状態では、第１自立電力線６ａの途中に設けられているリレーコイル３３、３５で電磁力は生じないため、リレースイッチ３４、３６に電磁力は作用しない。その結果、リレースイッチ３４は端子３４ａ及び端子３４ｂの間が接続された状態に切り換わり、リレースイッチ３６は端子３６ａ及び端子３６ｂの間が接続された状態に切り換わる。そして、交流線２に流れる電流がリレースイッチ３４及びリレースイッチ３６を通って給電線３２に流れることで、排熱回収装置２０への電力供給が行われる。

これに対して、図５（ｂ）に示すように、燃料電池発電装置１０で自立運転が行われているとき、自立電力線６（６ａ、６ｂ）に電流は流れているが、交流線２に電流は流れていない。この状態では、第１自立電力線６ａの途中に設けられているリレーコイル３３、３５で電磁力が生じ、リレースイッチ３４、３６にその電磁力が作用する。その結果、リレースイッチ３４は端子３４ａ及び端子３４ｂの間が切断された状態に切り換わり、リレースイッチ３６は端子３６ａ及び端子３６ｃが接続された状態に切り換わる。そして、第１自立電力線６ａに流れる電流がリレースイッチ３６を通って給電線３２に流れることで、排熱回収装置２０への電力供給が行われる。また、第２自立電力線６ｂに接続される給電線３１にも電流が流れ、その結果、給電線３１に接続される電気コンセント７にも電力が供給される。

次に、連系時及び自立時における電力の供給形態について説明する。
図６は、連系時及び自立時における電力の供給形態を示す図である。具体的には、図６（ａ）は燃料電池発電装置１０が連系運転を行っているときの電力の供給形態を示す図であり、図６（ｂ）は燃料電池発電装置１０が自立運転を行っているときの電力の供給形態を示す図である。尚、図６（ａ）及び図６（ｂ）では、図面の簡略化のため、自動電源切替器３の内部の構成（即ち、図５で示した構成）についての記載を省略している。また、図６（ａ）及び図６（ｂ）では、電力供給が行われる部位を太線で描き、電力供給が行われない部位を細線で描いている。

本実施形態において、燃料電池発電装置１０の発電制御手段１２は、燃料電池発電装置１０から自立電力線６（６ａ、６ｂ）への電力の供給を開始するとき、燃料電池発電装置１０から第１自立電力線６ａへの電力の供給を、燃料電池発電装置１０から第２自立電力線６ｂへの電力の供給よりも時間的に優先して開始する。

以上のように、燃料電池発電装置１０の発電制御手段１２は、燃料電池発電装置１０から自立電力線６（６ａ、６ｂ）への電力の供給を開始するとき、排熱回収装置２０が接続されることになる第１自立電力線６ａへの電力の供給を、給電線３１及び電気コンセント７が接続されている第２自立電力線６ｂへの電力の供給よりも優先して開始する。つまり、燃料電池発電装置１０から給電線３１及び電気コンセント７への電力供給が未だ開始されていない間に、燃料電池発電装置１０から排熱回収装置２０への電力供給が優先して行われることになるので、その間に、排熱回収装置２０の充電式電池２１の電池容量の増加が有効に行われる。その結果、その後で、燃料電池発電装置１０から給電線３１及び電気コンセント７への電力供給が開始され、燃料電池発電装置１０の発電制御手段１２が、排熱回収装置２０による消費電力と電気コンセント７に接続される自立時用電力負荷装置９による消費電力との和が設定上限電力以上であるという理由で自立電力線６（６ａ、６ｂ）への燃料電池部１１からの電力の供給を設定時間の間停止したとしても、排熱回収装置２０の充電式電池２１の電池容量は先に増加しているので、排熱回収装置２０では充電式電池２１の電池容量が零になる可能性が低くなる。つまり、充電式電池２１の電池容量が零になった場合に発生し得る連系許否情報の喪失の可能性が低くなる。その結果、排熱回収装置２０から燃料電池発電装置１０へ、正当な連系許否情報を設定タイミングで燃料電池発電装置１０に伝達して、燃料電池発電装置１０の運転が連系許否情報の喪失を原因として不必要に停止されることを避けることができる。

＜別実施形態＞
＜１＞
上記実施形態では、燃料電池発電システムの構成について具体例を挙げて説明したが、その構成は適宜変更可能である。
例えば、上記実施形態で示した排熱回収装置２０が、本発明における電力負荷装置である場合を説明したが、本発明における電力負荷装置の機能を他の装置に持たせてもよい。
上記実施形態では、自動電源切替器３の内部の電気回路の構成例を図面と共に説明したが、その電気回路の構成は適宜変更可能である。

他にも、上記実施形態では、電力系統１からの電力供給が正常状態であるか異常状態であるかを判定するために、電力監視手段１３が電力の電圧を参照する例を説明したが、他の指標によって電力系統１からの電力供給が正常状態であるか異常状態であるかを判定することもできる。例えば、電力監視手段１３が監視する交流線２の交流電圧のゼロクロス点の時間間隔を指標とすることもできる。交流電圧の周波数が６０Ｈｚである場合、交流電圧の半周期毎、即ち約８ｍｓｅｃ毎にゼロクロス点が検出される。従って、ゼロクロス点が検出された後、例えば９ｍｓｅｃ経過しても次のゼロクロス点が検出できないときは電力系統１が異常状態であると判定できる。これに対して、ゼロクロス点が検出された後、例えば９ｍｓｅｃ経過する前に次のゼロクロス点が検出できたときは電力系統１が正常状態であると判定できる。

＜２＞
上記実施形態では、排熱回収装置２０の記憶手段２４に連系許否情報（入力された暗証番号が有効であるか否かの情報、即ち、連系運転を行うことを許可されているか否かの情報）が記憶されており、充電式電池２１の電池容量が零になった場合には、その連系許否情報が記憶手段２４から失われる例を説明したが、記憶手段２４に別の情報が記憶されていてもよい。
例えば、排熱回収装置２０の記憶手段２４に、燃料電池発電装置１０及び排熱回収装置２０を運転することで達成したＣＯ₂削減量（例えば、燃料電池発電装置１０及び排熱回収装置２０を運転せずに電気と熱とを発生させた場合との比較）に関する情報を記憶しておくこともできる。

本発明は、燃料電池発電装置の不必要な劣化を抑制可能な燃料電池発電システムに利用できる。

１ 電力系統
２ 交流線
６ 自立電力線
６ａ 第１自立電力線
６ｂ 第２自立電力線
７ 電気コンセント（自立運転時用電気端子）
９ 自立時用電力負荷装置
１０ 燃料電池発電装置
１１ 燃料電池部
１２ 発電制御手段
２０ 排熱回収装置（電力負荷装置）
２１ 充電式電池
３０ ディレイ回路

Claims (4)

1. 燃料電池部、及び、電力系統から交流線への電力供給が正常に行われる正常状態になると前記交流線に前記燃料電池部の発電電力を出力する連系運転を行い、前記電力系統から前記交流線への電力供給が正常に行われない異常状態になると前記電力系統から電気的に切り離された自立電力線に前記燃料電池部の発電電力を出力する自立運転を行うように構成されている発電制御手段を有する燃料電池発電装置と、
   給電線に接続され、前記異常状態において当該給電線が接続される前記自立電力線を介した前記燃料電池発電装置からの電力の供給を受ける自立運転時用電気端子とを備える燃料電池発電システムであって、
   前記正常状態においては前記交流線を介した電力の供給を受け、前記異常状態においては前記自立電力線を介した前記燃料電池発電装置からの電力の供給を受ける電力負荷装置を備え、
   前記電力負荷装置は、充電式電池を有し、前記交流線から自身への電力の供給及び前記燃料電池発電装置から前記自立電力線を介しての自身への電力の供給の何れもが停止されると前記充電式電池からの電力の供給を受けて動作し、及び、電力の供給を受けている間は前記燃料電池発電装置が前記連系運転を行うことを許可されているか否かについての連系許否情報を記憶すると共に当該連系許否情報を設定タイミングで前記燃料電池発電装置に伝達するように構成され、
   前記燃料電池発電装置の前記発電制御手段は、前記連系運転を行っているときに前記電力負荷装置から伝達される前記連系許否情報を参照して前記連系運転を行うことを許可されていると判定できないと、前記燃料電池部の発電運転を停止させるように構成され、
   前記燃料電池発電装置から前記自立運転時用電気端子へ至る間の前記給電線の途中に電力供給の開始を遅延させるディレイ回路を有し、
   前記燃料電池発電装置が前記自立電力線への電力の供給を開始するとき、前記ディレイ回路による遅延作用によって、前記燃料電池発電装置から前記自立電力線を介した電力の供給が、前記自立運転時用電気端子よりも前記電力負荷装置に対して時間的に優先して開始されるように構成されている燃料電池発電システム。
2. 前記燃料電池発電装置の前記発電制御手段は、前記自立運転を行っているときに、前記電力負荷装置による消費電力と、前記自立運転時用電気端子に接続される自立時用電力負荷装置による消費電力との和が設定上限電力以上になると、前記自立電力線への前記燃料電池部からの電力の供給を停止する又は設定時間の間停止した後に前記自立電力線への前記燃料電池部からの電力の供給を再開する電力供給中断処理を行うように構成されている請求項１に記載の燃料電池発電システム。
3. 前記電力負荷装置は、前記燃料電池発電装置からの排熱を回収する排熱回収装置である請求項１又は２に記載の燃料電池発電システム。
4. 前記自立運転時用電気端子は電気コンセントとして構成されている請求項１〜３の何れか一項に記載の燃料電池発電システム。

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