JP6667147B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

本開示は、燃料電池システムに関する。

近年、分散型発電装置で生成された電力と電気事業者の系統電源（商用電源）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、系統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系統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、系統電源から電力を得て起動する。しかし、この方法によれば、系統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、系統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、蓄電装置を備えた燃料電池システムが知られている。

例えば、特許文献１の燃料電池システムは、系統電源の停電時に燃料電池を起動及び自立運転させるための自立運転支援装置を備えている。自立運転支援装置は、蓄電装置を有し、燃料電池で生成された電力を蓄電装置に蓄えるように構成されている。系統電源の停電時において、蓄電装置から燃料電池の補機に電力が供給される。なお、特許文献２および特許文献３の燃料電池システムにおいても蓄電装置を備えている。

特開２００８−２２６５０号公報 特開２００７−２４２５２８号公報 特許第５２５３６９０号公報

特許文献１に記載された燃料電池システムは、停電中でも燃料電池を起動できるという利点を有する。しかし、必ずしも高い確率で起こることが無い停電を想定して、非常用電源として機能する蓄電装置が必要となる。また、燃料電池で生成された電力を蓄電装置に蓄えるためには、専用のコンバータ、コントローラなどの付帯装置も必要である。このことは、システムの構成を複雑化し、システムのコストを上昇させる。

本開示は、商用電源が途絶えた場合にも燃料電池の運転を可能にし、かつ、燃料電池システムのコストの高騰を抑えることができる技術を提供する。

すなわち、本開示は、燃料電池と、商用電源からの電力供給によって燃料電池の運転に必要な動作を実行可能な補機と、商用電源の停電時に補機に電力を供給するための補助電力供給部と、を備えている。また、燃料電池及び商用電源から補助電力供給部への電力供給を禁止するように構成するとともに、燃料電池が運転を停止している状態で商用電源の停電が検出された場合に、補機への電力供給を商用電源から補助電力供給部へと切り替えるスイッチを備えている。

本開示の技術は、商用電源が途絶えた場合にも燃料電池の運転を可能するだけでなく、燃料電池システムのコストの高騰を抑制することも可能にする。

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

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。なお、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、本実施形態の燃料電池システム１００は、燃料電池１０、補機１２、補助電力供給部２０及びスイッチ３０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、商用電源と補機１２とを接続して商用電源の電力を補機１２に供給するための回路線である。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）に供給するために使用される回路線である。また、発電電力ライン２８は、燃料電池システム１００を商用電源と系統連系させるための回路線である。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。スイッチ３０は、給電ライン２６に設けられている。補助電力供給部２０は、スイッチ３０を介して給電ライン２６に接続されている。このような構成によれば、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力供給部２０から給電ライン２６に供給することが可能である。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。

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、商用電源または補助電力供給部２０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。なお、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。

スイッチ３０は、燃料電池１０及び商用電源から補助電力供給部２０への電力供給を禁止するように構成された要素である。スイッチ３０は、燃料電池１０が運転を停止している状態で商用電源の停電が検出された場合に、補機１２への電力供給を商用電源から補助電力供給部２０へと切り替える。これにより、停電時にも燃料電池１０を起動することが可能となる。

本実施形態において、スイッチ３０は、複数のリレーで構成された組み合わせスイッチである。詳細には、スイッチ３０は、リレー３１及びリレー３２を含む。リレー３１は、給電ライン２６において、商用電源の側に位置している。リレー３２は、給電ライン２６において、補機１２の側に位置している。ただし、本明細書中で説明する電気的接続関係を達成できる限りにおいて、スイッチ３０の構成は本実施形態のものに限定されない。本実施形態において、全てのリレー（例えばリレー３１、３２）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。

補助電力供給部２０は、商用電源の停電時に補機１２に電力を供給するための要素である。本実施形態において、補助電力供給部２０は、スイッチ３０に電気的に接続された回路線２０ａ及び回路線２０ａの端に設けられた端子２０ｂを含む。詳細には、回路線２０ａは、リレー３１に接続されている。端子２０ｂは、典型的には、プラグである。端子２０ｂに、電源２３は着脱可能である。電源２３は、１００Ｖの交流電源でありうる。詳細には、電源２３は、交流発電機、バッテリなどの非常用電源である。本実施形態によれば、一定の要件さえ満たせば、電源２３として様々な電源を使用することができる。燃料電池システム１００に電源２３を常時接続しておく必要も無く、停電時にのみ電源２３を準備すれば、燃料電池システム１００を起動することが可能である。また、スイッチ３０の働きにより、補助電力供給部２０には、燃料電池１０及び商用電源から補助電力供給部２０に電力は供給されない。つまり、電源２３は、燃料電池システム１００及び商用電源のどちらとも連系しない。したがって、本実施形態によれば、電源２３のコストを大幅に下げることができる。燃料電池システム１００の制御部で電源２３の制御を行う必要もない。電源２３として１００Ｖａｃの汎用の電源を使用できるし、電源２３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、燃料電池システム１００の全体のコストを大幅に下げることにつながる。

本実施形態において、補助電力供給部２０は、燃料電池システム１００を構成するスイッチ３０を介して給電ライン２６に接続されている。言い換えれば、補助電力供給部２０は、商用電源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、補助電力供給部２０に電源２３が含まれていてもよい。電源２３がバッテリの場合、燃料電池システム１００の制御部１６によって電源２３の蓄電量を監視してもよい。

燃料電池システム１００は、商用電源に接続され、商用電源と系統連系す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、商用電源である第１系統電源４４及び商用電源である第２系統電源４６に接続されている。詳細には、給電ライン２６が第１系統電源４４に接続され、発電電力ライン２８が第２系統電源４６に接続されている。第１系統電源４４は、１００Ｖａｃの商用電源で構成されている。第２系統電源４６は、２００Ｖａｃの商用電源で構成されている。図７に示すように、第１系統電源４４及び第２系統電源４６は、例えば、分電盤５０において、一般家庭に引き込まれた単相３線の電力線から構成されている。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４４の電力が給電ライン２６に供給される。補助電力供給部２０に接続されるべき電源２３として、２００Ｖａｃの電源は必要なく、１００Ｖａｃの交流電力を出力可能な電源を電源２３として使用することができる。

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１４、制御部１６、及び、ＡＣ／ＤＣコンバータ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４４又は補助電力供給部２０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。制御部１６は、燃料電池システム１００が商用電源と系統連係するように、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。また、制御部１６は、燃料電池システム１００の全体の制御を行う。

燃料電池システム１００は、さらに、バックアップ熱源の一例である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。

バックアップ熱源の一例であるバックアップボイラ２２は、商用電源である第１系統電源４４と補機１２とを結ぶ給電ライン２６から分岐する形で設けられている。詳細には、バックアップボイラ２２への回路線は、スイッチ３０とＡＣ／ＤＣコンバータ１８との間において、給電ライン２６から分岐している。バックアップボイラ２２は、商用電源又は補助電力供給部２０から電力の供給を受ける。したがって、バックアップ熱源の一例であるバックアップボイラ２２は、商用電源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、分岐ライン２９、追加スイッチであるリレー３３及び停電時専用コンセント２４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。追加スイッチであるリレー３３は、ＤＣ／ＡＣコンバータ１４と商用電源である第２系統電源４６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。停電時専用コンセント２４は、分岐ライン２９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。また、停電時専用コンセント２４によれば、商用電源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。

本実施形態において、分岐ライン２９は、燃料電池１０で生成された電力をバックアップ熱源であるバックアップボイラ２２に供給する際にも使用される。分岐ライン２９は、スイッチ３０（詳細には、リレー３２）に接続されており、スイッチ３０を操作することによって、分岐ライン２９とバックアップ熱源であるバックアップボイラ２２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。停電時において、電源２３の電力が停電時専用コンセント２４で消費されることを回避できる。

燃料電池システム１００は、さらに、リレー３４とリレー３５を備えている。リレー３４は給電ライン２６に設けられていて、リレー３５は、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、商用電源である第１系統電源４４とスイッチ３０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、商用電源である第２系統電源４６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、３５によれば、商用電源が停電したときに、燃料電池システム１００を商用電源から安全に切り離すことができる。また、商用電源が復旧したときに、燃料電池システム１００を商用電源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、４０、４２を備えている。検出器３８は、第１系統電源４４の電圧を検出する役割を担う。検出器３８は、リレー３４よりも商用電源の近くにおいて、給電ライン２６の上に設けられている。検出器４０は、第２系統電源４６の電圧を検出する役割を担う。検出器４０は、リレー３５よりも商用電源の近くにおいて、発電電力ライン２８上に設けられている。検出器４２は、補助電力供給部２０の電圧を検出する役割を担う。検出器４２は、補助電力供給部２０（回路線２０ａ）に設けられている。検出器３８、４０、４２は、典型的には、電圧センサである。例えば、リレー３４がオフ（オープン）の状態で検出器３８によって１００Ｖａｃの電圧が検出されたら、第１系統電源４４が有効である。また、リレー３５がオフの状態で検出器４０によって２００Ｖａｃの電圧が検出されたら、第２系統電源４６が有効である。検出器４２によれば、補助電力供給部２０に電源２３が接続されているかどうかを確かめることができる。検出器３８、４０、４２の検出信号は制御部１６に入力される。制御部１６は、取得した検出信号に基づいて、リレー３１〜３５の制御を行う。

次に、燃料電池システム１００の運転について図２〜図５とともに詳細に説明する。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、ＤＣ／ＡＣコンバータ１４が商用電源である第２系統電源４６に電気的に接続されるように、リレー３３及びリレー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（図７参照）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、バックアップ熱源であるバックアップボイラ２２が商用電源である第１系統電源４４に接続されるように、スイッチ３０（リレー３１及びリレー３２）及びリレー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熱源であるバックアップボイラ２２に供給される。燃料電池１０で生成された電力は、商用電源を経由してバックアップボイラ２２にも供給されうる。なお、「通常運転」とは、商用電源が有効であり、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及び制御部１６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４４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の運転停止時においては、ＡＣ／ＤＣコンバータ１８が商用電源である第１系統電源４４に接続されるように、リレー３１、３２、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。バックアップ熱源であ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。

制御部１６は、検出器３８、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、商用電源が停電したかどうかを判断する。典型的には、検出器３８、４０によって検出された電圧がゼロに低下した場合、商用電源が停電したものと判断する。商用電源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、商用電源及び電源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）。ステップＳ１で燃料電池１０が停止中と判断したとき、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、３５をオフ（オープン）にする。次に、補助電力供給部２０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、スイッチ３０を制御する（ステップＳＴ２）。詳細には、リレー３１を商用電源の側から補助電力供給部２０の側へと切り替える。また、検出器４２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電源２３が補助電力供給部２０に接続されているかどうかを判断する（ステップＳＴ３）。具体的には、検出器４２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、電源２３が接続され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ＳＴ４）。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、補助電力供給部２０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。ただし、ステップＳＴ４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。また、ステップＳＴ２の処理とステップＳＴ３の処理とが入れ替わってもよい。電源２３が燃料電池システム１００に接続されている場合にのみ、ステップＳＴ２の処理を行ってもよい。

本実施形態によれば、商用電源の停電時かつ燃料電池１０の起動前において、補機１２への電力供給が商用電源から補助電力供給部２０に切り替えられたとき、バックアップボイラ２２にも補助電力供給部２０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、電源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）
図５に示すように、燃料電池１０の起動後は、燃料電池１０で生成された電力が補機１２、バックアップ熱源である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。すなわち、補助電力供給部２０が補機１２から電気的に切り離されるようにスイッチ３０が操作され、燃料電池１０で生成された電力が補機１２、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。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、スイッチ３０が操作されることによって補助電力供給部２０が補機１２から電気的に切り離されたとき、バックアップボイラ２２も補助電力供給部２０から電気的に切り離され、燃料電池１０で生成された電力がバックアップボイラ２２にも供給される。具体的には、バックアップ熱源であるバックアップボイラ２２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、スイッチ３０が操作されることによってバックアップボイラ２２が補助電力供給部２０から電気的に切り離されたとき、発電電力ライン２８とバックアップボイラ２２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。このようにすれば、燃料電池１０の起動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。燃料電池１０の起動後にこのような切り替えを行うことによって、電源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、電源２３がバッテリである場合に特に有効である。

また、上記のようにリレー３３を操作すると、停電時専用コンセント２４も発電電力ライン２８に電気的に接続される。したがって、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できる。

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。通常運転時においては、燃料電池システム１００から配電盤５０（図７参照）に向けて電力が供給されており、給電ライン２６及び発電電力ライン２８には、燃料電池１０で生成された電流が流れる。しかし、商用電源が停電すると、給電ライン２６の電圧及び発電電力ライン２８の電圧が瞬間的に変動する。つまり、燃料電池１０が通常運転中、かつ、燃料電池システム１００と商用電源との間で系統連系が行われているときに商用電源の停電が起こると、給電ライン２６及び発電電力ライン２８に過電流が流れ、給電ライン２６の電圧及び発電電力ライン２８の電圧の急激な変動を検出することができる。

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、３５をオフにして燃料電池システム１００を商用電源から切り離す。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追加スイッチであるリレー３３を操作する。バックアップボイラ２２に燃料電池１０で生成された電力が供給されるように、スイッチ３０（リレー３２）を操作する。詳細には、バックアップボイラ２２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、商用電源が復旧したときの処理を説明する。

制御部１６は、検出器３８、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、商用電源の停電が解除されたどうかを判断する。典型的には、検出器３８、４０によって検出された電圧がそれぞれ１００Ｖａｃ及び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。

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の停電が解除された場合には、スイッチ３０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への電力供給が燃料電池１０から商用電源へと切り替わる。具体的には、バックアップボイラ２２が給電ライン２６に接続されるように、リレー３１及びリレー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。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の制御を変更する（停電時は１００Ｖａｃ）。このようにすれば、商用電源の復旧後、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。

同様に、燃料電池１０で生成された電力が停電時専用コンセント２４に供給されている最中に商用電源の停電が解除された場合には、燃料電池１０から停電時専用コンセント２４への電力供給が遮断されるように、リレー３３を操作する。具体的には、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。これにより、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。

以上説明したように、本開示の燃料電池システムは、燃料電池と、商用電源からの電力供給によって燃料電池の運転に必要な動作を実行可能な補機と、商用電源の停電時に補機に電力を供給するための補助電力供給部と、を備えている。また、燃料電池及び商用電源から補助電力供給部への電力供給を禁止するように構成されており、燃料電池が運転を停止している状態で商用電源の停電が検出された場合に、補機への電力供給を商用電源から補助電力供給部へと切り替えるスイッチと、を備えている。本開示によれば、商用電源が途絶えた場合にも燃料電池の運転を可能とするだけでなく、燃料電池システムのコストの高騰を抑制することも可能にする。

また、本開示の燃料電池システムは、商用電源と補機とを接続して商用電源の電力を補機に供給するための給電ラインを備え、スイッチは、給電ラインに設けられており、補助電力供給部は、スイッチを介して給電ラインに接続されている。また、商用電源と連系させるための発電電力ラインを備えている。本開示によれば、発電電力ラインの電圧にマッチしない電圧の電力を補助電力供給部から給電ラインに供給することが可能である。

また、本開示の燃料電池システムは、発電電力ラインが２００Ｖａｃの商用電源に接続されるべき回路線であり、給電ラインが１００Ｖａｃの商用電源に接続されるべき回路線である。補助電力供給部に接続されるべき電源として、２００Ｖａｃの電源は必要なく、１００Ｖａｃの交流電力を出力可能な電源を使用できる。

また、本開示の燃料電池システムは、補助電力供給部がスイッチに電気的に接続された回路線及び端子であるとともに、端子に電源を着脱可能に構成されている。本開示によれば、燃料電池システムの全体のコストを大幅に下げることができる。

また、本開示の燃料電池システムは、燃料電池の起動後、補助電力供給部が補機から電気的に切り離されるようにスイッチが操作され、燃料電池で生成された電力が補機に供給される。本開示によれば、停電後も燃料電池が自立運転を続けることが可能である。

また、本開示の燃料電池システムは、商用電源の停電中及び燃料電池の停止中にも水を加熱して湯を供給できるバックアップ熱源を備えている。さらに、バックアップ熱源は、商用電源の電力を補機に供給するための給電ラインから分岐する形で設けられており、補機への電力供給が商用電源から補助電力供給部に切り替えられたとき、バックアップ熱源にも補助電力供給部から電力が供給される。停電後にバックアップ熱源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の利便性及びユーザにとっての快適性を大幅に向上させる。

また、本開示の燃料電池システムは、燃料電池の起動後、スイッチが操作されることによって補助電力供給部が補機から電気的に切り離されたとき、バックアップ熱源も補助電力供給部から電気的に切り離され、燃料電池で生成された電力がバックアップ熱源にも供給される。本開示によれば、燃料電池の起動後、バックアップ熱源の運転を継続することが可能となる。

また、本開示の燃料電池システムは、燃料電池で生成された電力がバックアップ熱源に供給されている最中に商用電源の停電が解除された場合には、スイッチがさらに操作されることによってバックアップ熱源への電力供給が燃料電池から商用電源へと切り替えられる。本開示によれば、商用電源の復旧後、燃料電池システムの通常運転にスムーズに移行することができる。

また、本開示の燃料電池システムは、燃料電池システムを商用電源と連系させるための発電電力ラインから分岐しており、燃料電池で生成された電力をバックアップ熱源に供給するときに使用される分岐ラインと、発電電力ラインと分岐ラインとの間の分岐位置に設けられた追加スイッチと、を備えている。さらに、燃料電池の起動後、スイッチが操作されることによってバックアップ熱源が補助電力供給部から電気的に切り離されたとき、発電電力ラインとバックアップ熱源とを電気的に接続するように追加スイッチが操作される。本開示によれば、燃料電池の起動後、バックアップボイラの運転を継続することが可能となる。

本開示の燃料電池システムは、停電時専用コンセントをさらに備え、商用電源の停電時には、燃料電池で生成された電力が停電時専用コンセントに供給される。本開示によれば、商用電源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。

また、本開示の燃料電池システムは、燃料電池システムを商用電源と連系させるための発電電力ラインと、発電電力ラインから分岐している分岐ラインと、分岐ラインに接続された停電時専用コンセントと、発電電力ラインと分岐ラインとの間の分岐位置に設けられた追加スイッチと、を備えている。また、商用電源の停電時には、燃料電池で生成された電力が停電時専用コンセントに供給されている。さらに、燃料電池で生成された電力が停電時専用コンセントに供給されている最中に商用電源の停電が解除された場合には、燃料電池から停電時専用コンセントへの電力供給が遮断されるように、追加スイッチが操作される。本開示によれば、商用電源の復旧後、停電時専用コンセントが使用され続けることを防止できる。

また、本開示の燃料電池システムは、燃料電池と、燃料電池システムを商用電源と連系させるための発電電力ラインと、商用電源からの電力供給によって燃料電池の運転に必要な動作を実行可能な補機と、商用電源と補機とを接続して商用電源の電力を補機に供給するための給電ラインと、を備えている。また、商用電源の停電時に補機に電力を供給するための補助電力供給部と、給電ライン上に設けられ、燃料電池が運転を停止している状態で商用電源の停電が検出された場合に、補機への電力供給を商用電源から補助電力供給部へと切り替えるスイッチと、を備えている。本開示によれば、商用電源が途絶えた場合にも燃料電池の運転が可能である。また、発電電力ラインの電圧にマッチしない電圧の電力を補助電力供給部から給電ラインに供給することが可能である。そのため、補助電力供給部に様々な電源を接続することも可能である。このことは、燃料電池システムのコストの高騰を抑制することにつながる。

本明細書に開示された技術は、商用電源と系統連系するシステムの停電対策に有用である。

１０ 燃料電池
１２ 補機
１４ ＤＣ／ＡＣコンバータ
１８ ＡＣ／ＤＣコンバータ
２０ 補助電力供給部
２０ａ 回路線
２０ｂ 端子
２２ バックアップボイラ（バックアップ熱源）
２３ 電源
２４ 停電時専用コンセント
２６ 給電ライン
２８ 発電電力ライン
２９ 分岐ライン
３０ スイッチ
３１，３２，３４，３５ リレー
３３ リレー（追加スイッチ）
４４ 第１系統電源（商用電源）
４６ 第２系統電源（商用電源）
１００ 燃料電池システム

Claims (11)

1. 燃料電池と、
   商用電源からの電力供給によって前記燃料電池の運転に必要な動作を実行可能な補機と、
   前記商用電源の停電時に前記補機に電力を供給するための補助電力供給部と、
   前記燃料電池及び前記商用電源から前記補助電力供給部への電力供給を禁止するように構成されており、前記燃料電池が運転を停止している状態で前記商用電源の停電が検出された場合に、前記補機への電力供給を前記商用電源から前記補助電力供給部へと切り替えるスイッチと、
   前記商用電源と前記補機とを接続して前記商用電源の電力を前記補機に供給するための給電ラインと、
   前記商用電源の停電中及び前記燃料電池の停止中にも水を加熱して湯を供給できるバックアップ熱源と、
   を備え、
   前記バックアップ熱源は、前記給電ラインから分岐する形で設けられており、
   前記補機への電力供給が前記商用電源から前記補助電力供給部に切り替えられたとき、前記バックアップ熱源にも前記補助電力供給部から電力が供給される、燃料電池システム。
2. 前記燃料電池システムを前記商用電源と連系させるための発電電力ラインをさらに備え、
   前記スイッチは、前記給電ラインに設けられており、
   前記補助電力供給部は、前記スイッチを介して前記給電ラインに接続されている、請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記発電電力ラインは、２００Ｖａｃの商用電源に接続されるべき回路線であり、
   前記給電ラインは、１００Ｖａｃの商用電源に接続されるべき回路線である、請求項２に記載の燃料電池システム。
4. 前記補助電力供給部は、前記スイッチに電気的に接続された回路線及び端子であり、
   前記端子に電源を着脱可能に構成されている、請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
5. 前記燃料電池の起動後、前記補助電力供給部が前記補機から電気的に切り離されるように前記スイッチが操作され、前記燃料電池で生成された電力が前記補機に供給される、請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
6. 前記燃料電池の起動後、前記スイッチが操作されることによって前記補助電力供給部が前記補機から電気的に切り離されたとき、前記バックアップ熱源も前記補助電力供給部から電気的に切り離され、前記燃料電池で生成された電力が前記バックアップ熱源にも供給される、請求項１〜５のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
7. 前記燃料電池で生成された電力が前記バックアップ熱源に供給されている最中に前記商用電源の停電が解除された場合には、前記スイッチがさらに操作されることによって前記バックアップ熱源への電力供給が前記燃料電池から前記商用電源へと切り替えられる、請求項６に記載の燃料電池システム。
8. 前記燃料電池システムを前記商用電源と連系させるための発電電力ラインと、
   前記発電電力ラインから分岐しており、前記燃料電池で生成された電力を前記バックアップ熱源に供給するときに使用される分岐ラインと、
   前記発電電力ラインと前記分岐ラインとの間の分岐位置に設けられた追加スイッチと、
   をさらに備え、
   前記燃料電池の起動後、前記スイッチが操作されることによって前記バックアップ熱源が前記補助電力供給部から電気的に切り離されたとき、前記発電電力ラインと前記バックアップ熱源とを電気的に接続するように前記追加スイッチが操作される、請求項６又は７に記載の燃料電池システム。
9. 停電時専用コンセントをさらに備え、
   前記商用電源の停電時には、前記燃料電池で生成された電力が前記停電時専用コンセントに供給される、請求項１〜８のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
10. 前記燃料電池システムを前記商用電源と連系させるための発電電力ラインと、
    前記発電電力ラインから分岐している分岐ラインと、
    前記分岐ラインに接続された停電時専用コンセントと、
    前記発電電力ラインと前記分岐ラインとの間の分岐位置に設けられた追加スイッチと、
    をさらに備え、
    前記商用電源の停電時には、前記燃料電池で生成された電力が前記停電時専用コンセントに供給され、
    前記燃料電池で生成された電力が前記停電時専用コンセントに供給されている最中に前記商用電源の停電が解除された場合には、前記燃料電池から前記停電時専用コンセントへの電力供給が遮断されるように、前記追加スイッチが操作される、請求項１〜９のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
11. 前記補助電力供給部は、前記燃料電池及び前記商用電源のいずれとも系統連系しない、請求項１〜１０のいずれか１項に記載の燃料電池システム。

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