JP6452022B2 - 制御装置および燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は制御装置およびその制御装置を備える燃料電池システムに関し、特に家庭用の小型電源として好適な燃料電池システムに関する。

太陽電池や蓄電池と双方向インバータとを備え、電力会社が供給する交流電源である系統電源の停電時のバックアップやピークシフトに利用される電力供給システムが普及してきている。このような電力供給システムの一部として、燃料電池が組み込まれることもある（特許文献１参照）。

特開２０１１−１８８６０７号公報

燃料電池のひとつとして、固体高分子形燃料電池がある。固体高分子形燃料電池は１００℃以下の低温で作動し、家庭用をはじめとする定置型のシステムとして用いられる。このような燃料電池と蓄電池とを含む電力供給システムを家庭で用いる場合、設置スペースの制限やコストの観点から、蓄電池の容量を十分に確保できないこともある。このため、燃料電池と蓄電池とを含む電力供給システムにおいて、蓄電池の限られた蓄電量を有効に活用する技術が求められている。

本発明はこうした状況に鑑みなされたものであり、その目的は、蓄電池の蓄電量を有効に活用するための技術を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明のある態様の制御装置は、燃料電池に電力を供給する電力供給部と、系統電源からの電力供給の有無を検出する系統電源検出部とを備える。電力供給部は、系統電源検出部が系統電源から負荷への電力供給が停止したことを検出することを契機として、蓄電池の電力を燃料電池の起動のために供給する。

燃料電池の起動のために供給する電力は、発電に用いる燃料を加熱する燃焼部を駆動するための電力を含んでもよい。本制御装置は燃料電池が発電可能であるか否かを検出する発電検出部をさらに備えてもよい。電力供給部は、燃料電池が発電可能であることを発電検出部が検出した場合、燃焼部に供給する蓄電池の電力を停止してもよい。

電力供給部はさらに、燃料電池が発電可能であることを発電検出部が検出することを契機として、燃料電池が発電する電力を負荷に供給させてもよい。

電力供給部は、燃料電池の発電電力が負荷に供給すべき電力を下回る場合、燃料電池が供給する電力に加えて、蓄電池の電力も負荷に供給してもよい。

燃料電池と、燃料電池の動作を補助する蓄電池と、上述した制御装置を備えてもよい。

本発明によれば、蓄電池の蓄電量を有効に活用するための技術を提供することができる。

本発明の実施の形態に係る燃料電池システムの構成を模式的に示す図である。 系統電源が停電した直後における、燃料電池システムの通電状態を模式的に示す図である。 系統電源の停電を検知し、自立モードに移行途中の燃料電池システムの通電状態を模式的に示す図である。 系統電源の停電を検知し、自立モードに移行した燃料電池システムの通電状態を模式的に示す図である。 自立モードにおける燃料電池システムにおいて、燃料電池が発電を開始したときの通電状態を模式的に示す図である。 自立モードにおける燃料電池システムにおいて、燃料電池の発電量に余力がある場合における通電状態を模式的に示す図である。 自立モードにおける燃料電池システムにおいて、燃料電池の発電電力が負荷に供給すべき電力を下回る場合における通電状態を模式的に示す図である。 実施の形態に係る燃料電池システムの機能構成を模式的に示す図である。 実施の形態に係る制御装置が実行する燃料電池の起動処理の流れを示すフローチャートである。

図１は、本発明の実施の形態に係る燃料電池システム１００の回路構成を模式的に示す図である。実施の形態に係る燃料電池システム１００は、系統電源２００、主分電盤３００、燃料電池４００、蓄電池ユニット５００、切替ユニット６００、通常負荷７００、自立負荷７５０、貯湯ユニット８００、給湯器８５０、非常灯９００、およびアース線９５０を含む。

図１は、系統電源２００が通電している場合における燃料電池システム１００の通電状態を示している。図１において、破線と、破線よりも太い実線で示す線は電力線を示す。ここで破線は電流の流れていない電力線であり、太い実線は電流が流れている電力線であることを示す。

実施の形態に係る燃料電池システム１００は、燃料電池４００を電力会社が供給する交流電源である系統電源２００と並列に接続し、系統電源２００および燃料電池４００の両方から通常負荷７００へ電力を供給する。燃料電池システム１００はまた、燃料電池４００の動作を補助するための蓄電池ユニット５００も備える。蓄電池ユニット５００は、例えば、系統電源２００の停電時に燃料電池４００を起動するための電力源となる。蓄電池ユニット５００は、系統電源２００が通電中は、系統電源２００の電力を蓄電する。

主分電盤３００は、主幹ブレーカ３１０、自立用ブレーカ３２０、燃料電池用ブレーカ３３０、および通常負荷用ブレーカ３４０を含む。主幹ブレーカ３１０は、系統電源２００から供給される最大の電気容量に応じた定格電流のブレーカである。自立用ブレーカ３２０は、系統電源２００の電力を後述する自立負荷７５０に供給する経路に設けられたブレーカである。また燃料電池用ブレーカ３３０は、系統電源２００の電力を燃料電池４００に供給する経路に設けられたブレーカである。

通常負荷用ブレーカ３４０は、系統電源２００の電力を通常負荷７００に供給する経路に設けられたブレーカである。通常負荷７００は、系統電源２００が通電中に電力が供給される負荷であり、空調、冷蔵庫、エレベータ、照明等の他に、テレビ等のＡＶ機器、娯楽機器等の緊急性の低い機器を含む。一方、自立負荷７５０は、系統電源２００が停電したときに、燃料電池４００が自立的に動作して発電する電力を供給すべき負荷である。

蓄電池ユニット５００は、蓄電池制御部５１０、充電器５２０、蓄電池５３０、ＤＣ／ＡＣインバータ５４０、第１スイッチ５５０、第２スイッチ５６０、第３スイッチ５７０、第４スイッチ５８０、および端子５９０を含む。

蓄電池５３０は、充放電自在で繰り返し使用できる二次電池である。蓄電池５３０は、例えば多数のリチウムイオン電池セルを内蔵する電池パックが複数組み合わされて形成される。蓄電池５３０は系統電源２００が供給する電力によって充電される。具体的には、系統電源２００が供給する交流電力は、第１スイッチ５５０および第３スイッチ５７０を介して充電器５２０に供給される。充電器５２０は系統電源２００が供給する交流電力を直流電力に変換する。充電器５２０は蓄電池５３０と接続しており、蓄電池５３０は、充電器５２０が変換した直流電力によって充電される。

図１に示すように、燃料電池４００は燃料電池用ブレーカ３３０および自立用ブレーカ３２０を介して第１スイッチ５５０と電気的に接続している。このため、燃料電池４００が発電しているとき、その発電電力の一部は系統電源２００の電力と加わり、蓄電池５３０の充電に用いられる。

第１スイッチ５５０は、系統電源２００からの電力を蓄電池５３０に供給するか、蓄電池５３０が放電する電力を切替ユニット６００に供給するかを選択的に切り換えるスイッチである。図１は系統電源２００が通電中における燃料電池システム１００を図示しているため、第１スイッチ５５０は、系統電源２００からの電力を蓄電池５３０に供給することを選択している。また第３スイッチ５７０は、系統電源２００の電力で蓄電池５３０を充電するか否かを切り換えるスイッチである。蓄電池５３０が満充電、または所定の蓄電量以上の場合、第３スイッチ５７０はオフとなり、系統電源２００による蓄電池５３０の充電が停止する。

ＤＣ／ＡＣインバータ５４０は、蓄電池５３０の直流電力を交流電力に変換する。第２スイッチ５６０は、蓄電池５３０の電力を出力するか否かを切り換える。

第４スイッチ５８０は、燃料電池４００が発電する電力を充電器５２０に直接供給するか否かを切り換えるスイッチである。後述するように、系統電源２００が停電中に燃料電池４００の発電に余力があれば、余剰電力で蓄電池５３０を充電する。燃料電池４００の発電に余力がない場合、第４スイッチ５８０はオフとなり、燃料電池４００と充電器５２０との電気的な接続を遮断する。

端子５９０は、蓄電池ユニット５００の外部出力端子である。蓄電池ユニット５００は、端子５９０を介して切替ユニット６００と接続する。蓄電池制御部５１０は、蓄電池ユニット５００の動作を統括的に制御する。具体的には、蓄電池制御部５１０は、第１スイッチ５５０、第２スイッチ５６０、第３スイッチ５７０、および第４スイッチ５８０の開閉を制御したり、充電器５２０、ＤＣ／ＡＣインバータ５４０の動作を制御したりする。蓄電池制御部５１０は、例えば既知のマイコン等によって実現される。

切替ユニット６００は、切替制御部６１０、トランス６２０、第１電力検出部６３０、第２電力検出部６３５、第５スイッチ６４０、第６スイッチ６４１、第７スイッチ６４２、第８スイッチ６４３、第９スイッチ６４４、第１０スイッチ６４５、第１１スイッチ６４６、第１２スイッチ６４７、第１３スイッチ６４８、および第１４スイッチ６４９を含む。

系統電源２００の電力は、燃料電池用ブレーカ３３０、第５スイッチ６４０、および第７スイッチ６４２を通って燃料電池４００に供給される。第５スイッチ６４０は、燃料電池用ブレーカ３３０と第７スイッチ６４２とを結ぶ経路を電気的に切断するか否かを切り換えるスイッチである。また第７スイッチ６４２は、系統電源２００の電力を燃料電池４００に供給するか、または蓄電池５３０の電力を燃料電池４００に供給するかを選択的に切り換えるスイッチである。図１は系統電源２００が通電中における燃料電池システム１００を図示しているため、第７スイッチ６４２は、系統電源２００からの電力を燃料電池４００に供給することを選択している。

系統電源２００の電力はまた、自立用ブレーカ３２０、第９スイッチ６４４、および第８スイッチ６４３に至る。第８スイッチ６４３を通過した電力は、第１１スイッチ６４６を経由して自立負荷７５０に供給される。第８スイッチ６４３を通過した電力はまた、第１２スイッチ６４７を経由して貯湯ユニット８００に供給される。第８スイッチ６４３を通過した電力はさらに、第１３スイッチ６４８を経由して給湯器８５０にも供給される。

第９スイッチ６４４は、自立用ブレーカ３２０と第８スイッチ６４３とを結ぶ経路を電気的に切断するか否かを切り換えるスイッチである。第８スイッチ６４３は、系統電源２００の電力と蓄電池５３０の電力とのいずれの電力を、自立負荷７５０、貯湯ユニット８００、または給湯器８５０に供給するかを選択的に切り換えるスイッチである。図１は系統電源２００が通電中における燃料電池システム１００を図示しているため、第８スイッチ６４３は、系統電源２００からの電力を選択している。

実施の形態に係る燃料電池４００は、動作時に２００Ｖの交流電力を要する。一方、蓄電池ユニット５００のＤＣ／ＡＣインバータ５４０が変換する電力は１００Ｖである。このため、トランス６２０は、１００Ｖの交流電力を２００Ｖの交流電力に変換する。詳細は後述するが、蓄電池ユニット５００の端子５９０を介して供給された電力は、第８スイッチ６４３、第６スイッチ６４１を介してトランス６２０に至る。またトランス６２０が変換した２００Ｖの交流電源は第７スイッチ６４２を経由して燃料電池４００に供給される。

第６スイッチ６４１は、蓄電池５３０の電力をトランス６２０に供給するか否かを切り換えるスイッチである。図１は系統電源２００が通電中における燃料電池システム１００を図示しているため、第６スイッチ６４１はオフとなっている。そもそも、系統電源２００が通電中は第８スイッチ６４３が系統電源２００側を選択しており、切替ユニット６００は蓄電池ユニット５００と電気的に切断されている。

第１電力検出部６３０は、燃料電池４００に供給される電力を検出する。より具体的に、第１電力検出部６３０は、燃料電池用ブレーカ３３０を介して系統電源２００から燃料電池４００に供給される電力の電圧や、トランス６２０が出力する電力の電圧を検出する。第２電力検出部６３５は、端子５９０および第９スイッチ６４４を介して切替ユニット６００に供給される蓄電池ユニット５００の電力の電圧を検出する。

第１４スイッチ６４９は、系統電源２００が停電中に、燃料電池４００が発電した電力を蓄電池ユニット５００に直接的に供給するか否かを切り換えるスイッチである。図１は系統電源２００が通電中における燃料電池システム１００を図示しているため、第１４スイッチ６４９はオフとなっている。第１０スイッチ６４５は、蓄電池ユニットが供給する蓄電池５３０の電力を、非常灯９００に供給するか否かを切り換えるスイッチである。

切替制御部６１０は、切替ユニット６００の動作を統括的に制御する。具体的には、切替制御部６１０は、第１電力検出部６３０や第２電力検出部６３５が検出した電圧をもとに、第５スイッチ６４０、第６スイッチ６４１、第７スイッチ６４２、第８スイッチ６４３、第９スイッチ６４４、第１０スイッチ６４５、第１１スイッチ６４６、第１２スイッチ６４７、第１３スイッチ６４８、および第１４スイッチ６４９の開閉を制御する。切替制御部６１０はまた、燃料電池４００の動作を停止することを指示する停止信号を燃料電池４００に送信することもある。切替制御部６１０は、例えば既知のマイコン等によって実現される。

燃料電池４００は、天然ガスやメタノールなどと水蒸気を反応させて作った水素と、大気中の酸素を化学反応させて電気と熱とを同時に生成するものでる。このため、燃料電池４００は発電による副産物が水だけであり、低出力域でも高効率で、しかも発電が天候に影響されず安定的であるという特徴を持つ。

燃料電池４００は、電解質膜である固体高分子膜を燃料極と空気極との間に配した基本構造を有する。燃料電池４００は、ＬＰＧ（Liquefied Petroleum Gas）や都市ガスなどの原燃料（炭化水素系燃料）を改質し、水素（燃料）を約８０％含有する改質ガスを生成する。燃料電池４００は、この改質ガスと空気中の酸素（酸化剤）とを用いて以下の電気化学反応により発電する。
燃料極：Ｈ２→２Ｈ^＋＋２ｅ⁻ ・・・（１）
空気極：１／２Ｏ_２＋２Ｈ^＋＋２ｅ⁻→Ｈ_２Ｏ ・・・（２）

改質ガスの生成や、上記化学反応を安定的に起こさせるために、燃料電池４００は発電に用いる燃料を加熱する図示しない燃焼部（ヒータまたはバーナ）を備える。この燃焼部の駆動にも電力を要する。燃料電池４００は、発電時に燃焼部から発生する熱を、お湯（４０℃以上の水）というかたちで熱回収して貯湯ユニット８００に貯湯する。したがって実施の形態に係る燃料電池システム１００は、発電システムのみならず、家庭の給湯システムとしても機能する。このため燃料電池４００は給湯器８５０と併存するのが一般的であり、燃料電池４００のコントローラは給湯器８５０のコントローラ（不図示）と一体か、近傍に設置される。ユーザがお湯を利用するとき、貯湯ユニット８００にお湯が貯まっている場合、お湯は貯湯ユニット８００から供給される。貯湯ユニット８００にお湯が貯まっていない場合、給湯器８５０が動作してお湯を提供する。したがって、給湯器８５０は一般的なガス湯沸かし器である。

以上のように、燃料電池４００は、貯湯ユニット８００や給湯器８５０のように、燃料電池４００の動作を補助する補助ユニットと協働する。特に、貯湯ユニット８００は燃料電池４００の排熱機構を担い、燃料電池４００の動作の安全性を担保する。また、給湯器８５０はそのコントローラが燃料電池４００のコントローラを兼ねることが多く、燃料電池４００のユーザインタフェースとして重要である。なお、主分電盤３００、蓄電池ユニット５００、および切替ユニット６００は、アース線９５０によって接地されている。

次に、実施の形態に係る燃料電池システム１００の動作に関し、特に系統電源２００が通電状態から停電状態となるとき、すなわち系統電源２００からの電力供給が停止したときの動作について説明する。

上述したとおり、図１は系統電源２００が通電中における燃料電池システム１００を図示している。系統電源２００が通電中は、系統電源２００と燃料電池４００とは第５スイッチ６４０および第７スイッチ６４２を通る経路で電気的に接続されている。このため、燃料電池４００の起動に要する電力は、系統電源２００から供給される。また、燃料電池４００が起動して発電を開始すると、その電力は第７スイッチ６４２および第５スイッチ６４０を通る経路を通って主分電盤３００に戻る。その後、燃料電池４００が発電した電力は、主分電盤３００から通常負荷７００や自立負荷７５０、貯湯ユニット等に供給される。

図２は、系統電源２００が停電した直後における、燃料電池システム１００の通電状態を模式的に示す図である。図２は特に、系統電源２００が停電する前に燃料電池４００が発電を開始していない場合における燃料電池システム１００の通電状態を示している。

燃料電池システム１００は、夜間等の電力消費やお湯の消費が少ない時間帯においては、燃料電池４００を停止することがある。これは、夜間等は電気代が低額であることがひとつの理由である。また別の理由として、燃料電池４００は動作中に副産物としてお湯ができることもあげられる。ユーザによるお湯の消費量が少ないと貯湯ユニット８００が満杯となり、燃料電池４００を動作させることができなくなるからである。

系統電源２００が停電した直後は、系統電源２００から電力供給があることを前提とした回路構成が維持されている。このため図２に示すように、系統電源２００が停電した直後において、燃料電池４００の発電がない場合には、燃料電池システム１００のいずれの回路にも電流は流れていない。

図３は、系統電源２００の停電を検知し、自立モードに移行途中の燃料電池システム１００の通電状態を模式的に示す図である。蓄電池ユニット５００は図示しない電力検出部（例えば保護リレー等）を備えており、その電力検出部は系統電源２００の停電を検知する。系統電源２００の停電を検知すると、所定の時間（例えば５秒間）後、蓄電池制御部５１０は自立モードに移行する。自立モードに移行すると、蓄電池制御部５１０は各スイッチを制御して、蓄電池ユニット５００を自立モードの回路構成に変更する。

ここで「自立モード」とは、系統電源２００が停電したときに、系統電源２００が供給する交流電力の振幅や周波数に依存せず、燃料電池４００や蓄電池ユニット５００が自立的に交流電力を出力する動作モードをいう。図３に示すように、蓄電池ユニット５００が自立モードに移行すると、蓄電池制御部５１０は第１スイッチ５５０を自立用ブレーカ３２０を結ぶ経路から切り離すとともに、第２スイッチ５６０をオンにする。同時に蓄電池制御部５１０は、第３スイッチ５７０をオフにする。これにより、蓄電池５３０の直流電力がＤＣ／ＡＣインバータ５４０で交流電力に変換され、端子５９０と切替ユニット６００の第８スイッチ６４３とを結ぶ経路に出力される。

第１電力検出部６３０および第２電力検出部６３５が系統電源２００の停電を検知すると、切替ユニット６００の切替制御部６１０は自立モードに移行する。自立モードに移行すると、切替制御部６１０は、第５スイッチ６４０と第９スイッチ６４４とをオフにして、切替ユニット６００を主分電盤３００から電気的に切断する。同時に切替制御部６１０は第８スイッチ６４３を切り換える。これにより、蓄電池ユニット５００の交流電力は貯湯ユニット８００および給湯器８５０に供給される。

上述したように、貯湯ユニット８００や給湯器８５０は、燃料電池４００の動作を補助する補助ユニットである。このため、実施の形態に係る燃料電池４００には、その起動シーケンスにおいて、燃料電池４００に備えられた通信ユニット（不図示）が、貯湯ユニット８００および給湯器８５０に備えられた通信ユニット（不図示）に対して、通信可能か否かを確認する。もし、燃料電池４００の起動時に補助ユニットとの通信が可能でない場合、燃料電池４００は、起動シーケンスにおいて停止し、起動することができない

そこで切替制御部６１０は、貯湯ユニット８００や給湯器８５０等の補助ユニットに電力を供給した後に、燃料電池４００に電力を供給する。これを実現するために、切替制御部６１０は、図３に示すように、第６スイッチ６４１をオンにする前に、まず第１２スイッチ６４７および第１３スイッチ６４８をオンにする。

ここで貯湯ユニット８００や給湯器８５０は、内部にコンデンサ等を備えている。このため、貯湯ユニット８００や給湯器８５０に電力を供給するとき、大きな突入電力が生じる場合がある。もし、貯湯ユニット８００と給湯器８５０とに同時に電力供給を開始すると、これらの突入電力の合計がＤＣ／ＡＣインバータ５４０の最大出力を越える恐れがある。

そこで切替制御部６１０は、貯湯ユニット８００と給湯器８５０とを順番に電力を供給する。例えば切替制御部６１０は、貯湯ユニット８００にまず電力を供給し、続いて給湯器８５０に電力を供給する。これを実現するために、切替制御部６１０は、系統電源２００の停電を検知すると、まず第１１スイッチ６４６、第１２スイッチ６４７、および第１３スイッチ６４８をオフにする。続いて切替制御部６１０は、まず第１２スイッチ６４７をオンにし、しかる後に第１３スイッチをオンにする。これにより、貯湯ユニット８００や給湯器８５０の突入電力の合計が、ＤＣ／ＡＣインバータ５４０の最大出力を越えてしまうことを防止できる。

なお、図３においては、第１０スイッチ６４５がオフであり、非常灯９００に蓄電池５３０の電力が供給されていない。これは蓄電池５３０の蓄電量に限りがあるので、限られた蓄電量を最大限活用するためである。

図４は、系統電源２００の停電を検知し、自立モードに移行した燃料電池システム１００の通電状態を模式的に示す図である。切替制御部６１０は、第１２スイッチ６４７および第１３スイッチ６４８をオンにした後に、第６スイッチ６４１をオンにする。これにより、蓄電池ユニット５００の交流電力がトランス６２０に供給される。トランス６２０は入力された交流電力の電圧を変換し、変換した電力を燃料電池４００の起動のために供給する。このとき、貯湯ユニット８００および給湯器８５０には電力が供給されているので、燃料電池４００はこれらの補助ユニットと通信可能である。このため、燃料電池４００は起動することができる。具体的には、燃料電池４００は図示しない燃焼部を燃焼させ、改質ガスの生成や化学反応を安定的に起こるように燃料電池４００の温度を上昇させる。

図５は、自立モードにおける燃料電池システム１００において、燃料電池４００が発電を開始したときの通電状態を模式的に示す図である。切替制御部６１０は、図示しない通信線によって燃料電池４００を制御するマイコン（不図示）や、蓄電池制御部５１０と通信することができる。切替制御部６１０は燃料電池４００から発電可能である旨の通信を受信すると、蓄電池制御部５１０にその旨を通知する。蓄電池制御部５１０は第２スイッチ５６０をオフにすることにより、蓄電池５３０の電力を切替ユニット６００に供給することを停止する。これにより、燃料電池４００は、動作に必要な電力を、自身が発電する電力で賄うようになる。また貯湯ユニット８００および給湯器８５０の動作に必要な電力も、燃料電池４００が発電する電力によって賄われる。

切替制御部６１０はまた、燃料電池４００から発電可能である旨の通信を受信すると、第１１スイッチ６４６をオンにする。これにより、電力供給の優先順位が高い負荷である自立負荷７５０に燃料電池４００が発電する電力が供給される。

このように、実施の形態に係る燃料電池システム１００においては、系統電源２００が停電し、系統電源２００から通常負荷７００への電力供給が停止したことを契機として、蓄電池５３０の電力が燃料電池４００を起動するために供給される。その後、燃料電池４００が起動して発電可能となった後に、燃料電池４００が発電する電力を自立負荷７５０に供給する。蓄電池５３０の電力は燃料電池４００を起動するために使用され、蓄電池５３０が単独で自立負荷７５０に電力供給することはない。これにより、蓄電池５３０の蓄電量が少なくても、燃料電池システム１００を稼働することが可能となる。蓄電池５３０の限られた蓄電量を最大限活用することができる。

なお、燃料電池４００の種類によっては、交流電源を出力するために基準となる基準電力を必要とするものも存在する。ここで「基準電力」とは、燃料電池４００が出力すべき交流電力の振幅および周波数を定める電力である。基準電力の入力が必要とする燃料電池４００は、基準電力を元に発電する電力を増減させ、所定の出力で運用する。燃料電池４００が基準電力の入力が必要とする場合、蓄電池５３０の電力で賄われる。このような場合、燃料電池４００から発電可能となった後も、第２スイッチ５６０はオフとならず蓄電池５３０から燃料電池４００に基準電力が供給される。

図６は、自立モードにおける燃料電池システム１００において、燃料電池４００の発電量に余力がある場合における通電状態を模式的に示す図である。燃料電池４００の発電量が、自立負荷７５０、貯湯ユニット８００、給湯器８５０、および非常灯９００等の各負荷の消費電力を上回る場合、切替制御部６１０は、第１４スイッチ６４９をオンにする。切替制御部６１０はまた、燃料電池４００の発電量に余力がある旨を蓄電池制御部５１０に通知し、蓄電池ユニット５００内の第４スイッチ５８０をオンにさせる。これにより、燃料電池４００が発電する電力の余剰電力で、蓄電池ユニット５００の蓄電池５３０を充電することができる。

上述したように、燃料電池４００は反応式（１）および反応式（２）に基づく化学反応を利用して発電する。一般に、反応式（１）および反応式（２）に基づく化学反応の応答速度は、例えばリチウムイオン電池等の放電の応答速度と比較して、非常に遅い速度である。このため、負荷の消費電力が急激に増加した場合、燃料電池４００の発電量が負荷の消費電力に追いつかなくなる恐れもある。

図７は、自立モードにおける燃料電池システム１００において、燃料電池４００の発電電力が負荷に供給すべき電力を下回る場合における通電状態を模式的に示す図である。切替制御部６１０は、燃料電池４００の発電電力が負荷に供給すべき電力を下回る場合、その旨を蓄電池制御部５１０に通知する。蓄電池制御部５１０は、図７に示すように、切替制御部６１０から通知を受信すると、第２スイッチ５６０をオンにする。これにより、蓄電池５３０の電力を負荷に供給する電流経路が導通し、燃料電池４００が供給する電力に加えて、蓄電池５３０の電力も負荷に供給することができる。蓄電池５３０の蓄電量は、燃料電池４００が発電する電力のいわば「バッファ」として機能する。系統電源２００の停電時における電力供給を安定化することができる。

以上、実施の形態に係る燃料電池システム１００の動作に関し、特に系統電源２００が通電中に停電となったとき、すなわち系統電源２００からの電力供給が停止したときの動作について説明した。系統電源２００が復電した場合、蓄電池制御部５１０および切替制御部６１０は各スイッチを切り換えて、図１に示す回路構成に復旧する。

次に、実施の形態に係る燃料電池システム１００の機能構成について説明する。

図８は、実施の形態に係る燃料電池システム１００の機能構成を模式的に示す図である。実施の形態に係る燃料電池システム１００は、系統電源２００、燃料電池４００、蓄電池５３０、制御装置６０、および負荷７０を含む。

図８は、実施の形態に係る燃料電池システム１００を実現するための機能構成を示しており、その他の構成は省略している。図８において、さまざまな処理を行う機能ブロックとして記載される各要素は、ハードウェア的には、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、メインメモリ、その他のＬＳＩ（Large Scale Integration）で構成することができる。またソフトウェア的には、メインメモリにロードされたプログラム等によって実現される。したがって、これらの機能ブロックがハードウェアのみ、ソフトウェアのみ、またはそれらの組み合わせによっていろいろな形で実現できることは当業者には理解されるところであり、いずれかに限定されるものではない。

制御装置６０は、系統電源検出部６３、発電検出部６４、および電力供給部６５を備える。

電力供給部６５は、燃料電池４００に電力を供給する。電力供給部６５は、上述した切替制御部６１０、各種スイッチ、トランス６２０、蓄電池制御部５１０、およびＤＣ／ＡＣインバータ５４０によって実現される。

系統電源検出部６３は、系統電源２００からの電力供給の有無を検出する。したがって、系統電源検出部６３は上述した第１電力検出部６３０によって実現される。

発電検出部６４は、燃料電池４００が発電可能であるか否かを検出する。上述したように、切替制御部６１０は、図示しない通信線によって燃料電池４００を制御するマイコンと通信することができ、燃料電池４００が発電可能となった場合はその旨を受信する。したがって、発電検出部６４は上述した切替制御部６１０によって実現される。

ここで電力供給部６５は、系統電源検出部６３が系統電源２００から負荷７０への電力供給が停止したことを検出したことを契機として、蓄電池５３０の電力を燃料電池４００の起動のために供給する。ここで燃料電池４００の起動のために供給する電力は、上述した発電に用いる燃料を加熱する燃焼部を駆動する電力を含む。これにより、燃料電池４００が起動し、系統電源２００に代わって負荷７０に電力を供給できるようになる。なお、負荷７０は上述した通常負荷７００および自立負荷７５０である。

電力供給部６５はまた、燃料電池４００が発電可能であることを発電検出部６４が検出した場合、燃焼部に供給する蓄電池５３０の電力を停止する。その後、燃焼部を駆動するための電力は、燃料電池４００が発電する電力によって賄われる。これにより、蓄電池５３０の電力消費を抑制することができる。

電力供給部６５はさらに、燃料電池４００が発電可能であることを発電検出部６４が検出することを契機として、燃料電池４００が発電する電力を負荷７０に供給させる。これにより、系統電源２００が停電となっても、蓄電池５３０の電力を用いずに、電力供給の優先順位が高い自立負荷７５０に電力を供給することができる。

一方で、上述したように、燃料電池４００の発電の応答速度は、蓄電池５３０の放電の応答速度よりも遅い。そこで、電力供給部６５は、燃料電池４００の発電電力が負荷７０に供給すべき電力を下回る場合、燃料電池４００が供給する電力に加えて、蓄電池５３０の電力も負荷７０に供給してもよい。これにより、系統電源２００の停電時における電力供給を安定化することができる。

図９は、実施の形態に係る制御装置６０が実行する燃料電池４００の起動処理の流れを示すフローチャートである。本フローチャートにおける処理は、例えば制御装置６０が起動したときに開始する。

系統電源検出部６３は、系統電源２００が供給する電力の電圧を検出する（Ｓ２）。系統電源２００が供給する電力の電圧が低くなることにより、系統電源検出部６３が系統電源２００からの電力供給がないことを検出した場合、すなわち系統電源２００が通電中でない場合（Ｓ４のＮ）、電力供給部６５は蓄電池５３０の電力を用いて燃料電池４００を起動する（Ｓ６）。

発電検出部６４は、燃料電池４００が発電可能か否かを確認する。発電検出部６４が、燃料電池４００が発電可能であることが確認できない間（Ｓ８のＮ）、発電検出部６４は、燃料電池４００が発電可能か否かの確認を継続する。

発電検出部６４が、燃料電池４００が発電可能であることを確認すると（Ｓ８のＹ）、電力供給部６５は、蓄電池５３０から燃料電池４００への電力供給を停止する（Ｓ１０）。続いて電力供給部６５は、燃料電池４００が発電した電力を負荷７０に供給させる（Ｓ１２）。ここで、燃料電池４００の発電量が負荷７０の消費電力量を下回り、燃料電池４００の発電量が十分でない場合（Ｓ１４のＮ）、電力供給部６５は、蓄電池５３０の電力も負荷７０に供給させる（Ｓ１６）。

電力供給部６５が蓄電池５３０の電力も負荷７０に供給させるか、燃料電池４００の発電量が十分な場合（Ｓ１４のＹ）、系統電源２００が通電中の場合（Ｓ４のＹ）、本フローチャートにおける処理は終了する。

以上説明したように、実施の形態に係る燃料電池システム１００によれば、蓄電池５３０の蓄電量を有効に活用するための技術を提供することができる。

以上、本発明を実施の形態をもとに説明した。この実施の形態は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組み合わせにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。

６０ 制御装置、 ６３ 系統電源検出部、 ６４ 発電検出部、 ６５ 電力供給部、 ７０ 負荷、 ８０ 補助ユニット、 １００ 燃料電池システム、 ２００ 系統電源、 ３００ 主分電盤、 ３１０ 主幹ブレーカ、 ３２０ 自立用ブレーカ、 ３３０ 燃料電池用ブレーカ、 ３４０ 通常負荷用ブレーカ、 ４００ 燃料電池、 ５００ 蓄電池ユニット、 ５１０ 蓄電池制御部、 ５２０ 充電器、 ５３０ 蓄電池、 ５４０ ＤＣ／ＡＣインバータ、 ５５０ 第１スイッチ、 ５６０ 第２スイッチ、 ５７０ 第３スイッチ、 ５８０ 第４スイッチ、 ５９０ 端子、 ６００ 切替ユニット、 ６１０ 切替制御部、 ６２０ トランス、 ６３０ 第１電力検出部、 ６３５ 第２電力検出部、 ６４０ 第５スイッチ、 ６４１ 第６スイッチ、 ６４２ 第７スイッチ、 ６４３ 第８スイッチ、 ６４４ 第９スイッチ、 ６４５ 第１０スイッチ、 ６４６ 第１１スイッチ、 ６４７ 第１２スイッチ、 ６４８ 第１３スイッチ、 ６４９ 第１４スイッチ、 ７００ 通常負荷、 ７５０ 自立負荷、 ８００ 貯湯ユニット、 ８５０ 給湯器、 ９００ 非常灯、 ９５０ アース線。

Claims (4)

1. 燃料電池に電力を供給する電力供給部と、
   系統電源からの電力供給の有無を検出する系統電源検出部と、
   燃料電池が発電可能であるか否かを検出する発電検出部を備え、
   前記電力供給部は、前記系統電源検出部が系統電源から負荷への電力供給が停止したことを検出することを契機として、蓄電池の電力を燃料電池の起動のために供給し、
   燃料電池の起動のために供給する電力は、発電に用いる燃料を加熱する燃焼部を駆動するための電力を含み、
   前記電力供給部はさらに、燃料電池が発電可能であることを前記発電検出部が検出することを契機として、燃料電池が発電する電力を負荷に供給し、
   前記系統電源からの電力を前記蓄電池に供給するか、前記蓄電池が放電する電力を第２のスイッチに供給するかを選択的に切り替える第１のスイッチをさらに備え、
   前記第２のスイッチは、前記系統電源の電力と前記蓄電池の電力とのいずれの電力を、前記燃料電池の動作を補助する補助ユニット、前記燃料電池、自立負荷の少なくとも１つに供給するかを選択的に切り換えるスイッチであることを特徴とする制御装置。
2. 前記電力供給部は、燃料電池が発電可能であることを前記発電検出部が検出した場合、前記燃焼部に供給する蓄電池の電力を停止することを特徴とする請求項１に記載の制御装置。
3. 前記電力供給部は、燃料電池の発電電力が負荷に供給すべき電力を下回る場合、燃料電池が供給する電力に加えて、蓄電池の電力も前記負荷に供給することを特徴とする請求項１または２に記載の制御装置。
4. 燃料電池と、
   前記燃料電池の動作を補助する蓄電池と、
   請求項１から３のいずれか一項に記載の制御装置を備えることを特徴とする燃料電池システム。

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