JP7056245B2 - 発電システム - Google Patents

Description

本発明は、発電システムに関する。

従来から、例えば、下記特許文献１に開示された衛生洗浄装置における洗浄水の加熱装置（以下、「従来の加熱装置」と称呼する。）が知られている。この従来の加熱装置は、セラミックヒータの空焚きを防止するために、フロートスイッチを備えており、フロートスイッチによって水位が低下したことが検出された場合、セラミックヒータへの通電を防止するようになっている。

又、従来から、例えば、下記特許文献２に開示された衛生洗浄装置も知られている。この従来の衛生洗浄装置は、セラミックヒータの空焚きを防止するために、洗浄水の流量を検出する流量検出手段を備えており、流量検出手段によって洗浄水の流量がない場合、セラミックヒータへの通電を防止するようになっている。

更に、従来から、例えば、下記特許文献３に開示された燃料電池システムも知られている。この従来の燃料電池システムは、水循環経路を加熱する加熱器を有しており、水循環経路の内部の水を加熱するようになっている。

特開２００１－３１１２０３号公報 特開２００１－３０３６４６号公報 特開２０１３－８０７０７号公報

ところで、燃料電池システム等の発電システムにおいて加熱器（ヒータ）を設ける場合においても、水循環経路の内部に水が存在しない状態でヒータを発熱させるような、空焚きを防止する必要がある。このため、燃料電池システムに対して、例えば、上記従来の加熱装置のようなフロートスイッチや上記従来の衛生洗浄装置のような流量検出手段（水流量計等）を別途設ける場合、構成が複雑化するとともに、コストアップを伴う虞がある。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものである。即ち、本発明の目的は、簡単な構成、且つ、低コストにより、ヒータの空焚きを防止することができる発電システムを提供することにある。

上記の課題を解決するため、請求項１に係る発電システムの発明は、燃料と酸化剤ガスとにより発電する発電ユニットと、発電ユニットが発電することに伴って発生する燃焼排ガスと貯湯槽から貯湯水供給管を介して供給される循環水との間で熱交換する熱交換器と、循環水を圧送する循環水ポンプと、循環水ポンプの回転数に関連する物理量を検出するセンサと、貯湯水供給管に設けられて循環水を加熱するヒータと、発電ユニットの発電、循環水ポンプの駆動、及び、ヒータの作動を統括して制御する制御装置と、を備えた発電システムであって、制御装置は、循環水ポンプを所定の駆動デューティで駆動させた際にセンサによって検出された物理量に基づく回転数が予め設定された基準回転数以下である場合に、ヒータが循環水を加熱することを許可し、回転数が基準回転数よりも大きい場合に、ヒータが循環水を加熱することを禁止する、ように構成される。

これによれば、制御装置は、センサによって検出された循環水ポンプの回転数と基準回転数との比較に基づき、ヒータが循環水を加熱することを許可又は禁止することができる。循環水ポンプは、貯湯水供給管の内部に循環水が存在している場合において所定の駆動デューティで駆動する際には圧送に伴う抵抗に起因して回転数が低下する傾向を有し、貯湯水供給管の内部に循環水が存在していない場合において所定の駆動デューティで駆動する際には空転に伴って回転数が増加する傾向を有する。

これにより、センサによって検出された回転数が基準回転数以下の場合には貯湯水供給管の内部に循環水が存在しているため、制御装置がヒータを作動させても空焚きにはならない。一方、センサによって検出された回転数が基準回転数よりも大きい場合には貯湯水供給管の内部に循環水が存在していないため、制御装置はヒータの作動を禁止して空焚きを防止することができる。従って、別途高価なフロートセンサや流量センサ等を設けなくても、簡単な構成且つ低コストにより、ヒータの空焚きを防止することができる。

本発明の実施形態に係る発電システムの概要を示す概略図である。 図１の燃料電池システムの構成を示す概略図である。 図２のヒータの構成を示す断面図である。 図３のヒータを構成を示す展開図である。 図１の制御装置によって実行されるＡＣヒータ通電制御プログラムのフローチャートである。 駆動デューティと回転数との関係を示し、貯湯水（循環水）の有無による回転数の違いを説明するための図である。 図１の制御装置によって実行されるＤＣヒータ通電制御プログラムのフローチャートである。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。発電システム１０は、燃料電池システム１１と、系統電源Ｋに接続された電源ライン１２と、パワーコンディショナー１４と、制御装置１５と、を備えている。ここで、系統電源Ｋは、電気事業者（例えば、電力会社等）が保有する商用の配電線網から供給される交流の電源である。尚、系統電源は、単相であっても、多相（例えば、三相）であっても良い。

燃料電池システム１１は、直流電力（直流電圧）を発電するものである。燃料電池システム１１は、図２に示すように、発電ユニット１１０及び貯湯槽１２１を備えている。発電ユニット１１０は、筐体１１０ａ、燃料電池モジュール１１１、熱交換器１１２、水精製器１１３及び改質水タンク１１４を備えている。ここで、燃料電池モジュール１１１、熱交換器１１２、水精製器１１３及び改質水タンク１１４と、貯湯槽１２１は、筐体１１０ａ内に収容されている。尚、貯湯槽１２１は、発電ユニット１１０と別体、即ち、筐体１１０ａの外に設けるようにしても良い。又、発電システム１０を構成するパワーコンディショナー１４及び制御装置１５を筐体１１０ａ内に収容するようにしても良い。

燃料電池モジュール１１１は、後述するように、改質部１３３及び燃料電池１３４を少なくとも含んで構成されるものである。燃料電池モジュール１１１は、改質用原料、改質水及び酸化剤ガス（カソードガス）としての空気（カソードエア）が供給されている。改質用原料としては、天然ガス、ＬＰガス等の改質用気体燃料、灯油、ガソリン、メタノール等の改質用液体燃料である。尚、本実施形態においては、改質用原料として、天然ガスを用いる場合を例示する。具体的には、燃料電池モジュール１１１は、一端が供給源Ｇｓ（例えば、都市ガス（天然ガス）のガス供給管）に接続されて改質用原料が供給される改質用原料供給管１１１ａの他端が、後述する蒸発部１３２に接続されている。改質用原料供給管１１１ａは、改質用原料を蒸発部１３２に圧送する改質用原料ポンプ１１１ａ１が設けられている。

又、燃料電池モジュール１１１は、一端が改質水タンク１１４に接続されて改質水が供給される改質水供給管１１１ｂの他端が蒸発部１３２（改質部１３３）に接続されている。改質水供給管１１１ｂは、改質水ポンプ１１１ｂ２が設けられている。更に、燃料電池モジュール１１１は、一端がカソードエアブロワ１１１ｃ１（酸化剤ガスポンプ）に接続されてカソードエア（酸化剤ガスであって、例えば、空気）が供給されるカソードエア供給管１１１ｃの他端が接続されている。

熱交換器１１２は、燃料電池モジュール１１１から排気される燃料排ガス（後述する改質部１３３及び燃料電池１３４の各排熱を含んでいる）が供給されるとともに貯湯槽１２１からの貯湯水が供給され、燃料排ガスと貯湯水（循環水）との間で熱交換が行われる熱交換器である。又、熱交換器１１２は、燃焼排ガスと貯湯水との間で熱交換が行われ、燃焼排ガスに含まれている水蒸気を凝縮して凝縮水を生成する凝縮水でもある。ここで、貯湯水は、熱交換器１１２を経ることで燃焼排ガスの排熱を回収する熱媒体（排熱回収水）である。

熱交換器１１２は、燃料電池モジュール１１１からの排気管１１１ｄが接続（貫設）されている。熱交換器１１２の底部には、水精製器１１３を介して改質水タンク１１４に接続されている凝縮水供給管１１２ａが接続されている。

このように構成された熱交換器１１２においては、燃料電池モジュール１１１からの燃焼排ガスは、排気管１１１ｄを通って熱交換器１１２内に導入され、流通する貯湯水との間で熱交換が行われ凝縮されるとともに冷却される。その後、燃焼排ガスは、排気管１１１ｄを通って燃焼排ガス用排気口１１０ｄから筐体１１０ａの外部に排出される。又、凝縮された凝縮水は、自重で落水し、凝縮水供給管１１２ａを通って水精製器１１３から改質水タンク１１４に供給される。一方、熱交換器１１２に流入した貯湯水は、加熱され、貯湯槽１２１に向けて流出される。排気管１１１ｄには、熱交換器１１２の下流側から分岐して改質水タンク１１４の水受け部材１１４ｂに連通するドレン管路１１２ｂが設けられている。

貯湯槽１２１は、密封式且つ耐圧式の容器である。貯湯槽１２１内の温度分布は、基本的には、温度の異なる二層に分かれている。上層は比較的温度の高い層（例えば、５０℃以上）であり、下層は比較的温度が低い層（例えば、２０℃～４０℃）である。上下各層は、それぞれほぼ同一温度である。貯湯槽１２１は、貯湯水を貯湯するものであり、貯湯水が循環する（図２にて矢印の方向に循環する）貯湯水循環ライン１２２が接続されている。

ここで、上述した熱交換器１１２、貯湯槽１２１及び貯湯水循環ライン１２２から、排熱回収システム１２０が構成されている。貯湯水循環ライン１２２上には、貯湯槽１２１の下端から上端に向かって順番に貯湯水循環ポンプ１２２ａ（循環水ポンプ）、ラジエータ１２２ｂ、ヒータ１２３、水温センサ１２４及び熱交換器１１２が配設されている。排熱回収システム１２０は、燃料電池モジュール１１１の排熱を回収して貯湯水に回収して蓄える。貯湯水循環ポンプ１２２ａは、貯湯槽１２１の下層から貯湯水を汲み出し、貯湯水循環ライン１２２を構成する貯湯水供給管１２２ｃを介して貯湯水を熱交換器１１２に供給する。

貯湯水循環ポンプ１２２ａには、貯湯水循環ポンプ１２２ａの回転数Ｅに関連する物理量を検出するセンサとして回転数センサ１２２ａ１が設けられている。回転数センサ１２２ａ１は、貯湯水循環ポンプ１２２ａの回転数Ｅを計測し、計測した回転数Ｅを制御装置１５に出力する。

ラジエータ１２２ｂは、冷却ファン及び電動モータを有する空冷式のラジエータであり、貯湯水供給管１２２ｃに設けられている。ラジエータ１２２ｂは、貯湯水循環ポンプ１２２ａから熱交換器１１２に向けて供給される貯湯水を冷却する。

補機Ｓに含まれるヒータ１２３は、例えば、セラミックヒータである。ヒータ１２３は、図３に示すように、貯湯水供給管１２２ｃの外径よりも大きな内径を有する筒状の基部１２３ａと、基部１２３ａの内周面と貯湯水供給管１２２ｃの外周面との間に配置された第一ヒータ部としてのＡＣヒータ部１２３ｂ及び第二ヒータ部としてのＤＣヒータ部１２３ｃと、ＡＣヒータ部１２３ｂ及びＤＣヒータ部１２３ｃに接続されたハーネス１２３ｄと、を有している。

ＡＣヒータ部１２３ｂは、系統電源Ｋから後述するパワーコンディショナー１４を介して供給されるＡＣ（交流電圧）がハーネス１２３ｄを通して供給されて発熱する。ＤＣヒータ部１２３ｃは、燃料電池１３４から後述するパワーコンディショナー１４を介して供給されるＤＣ（直流電圧）がハーネス１２３ｄを通して供給されて発熱する。ＡＣヒータ部１２３ｂ及びＤＣヒータ部１２３ｃは、図４に示すように、互いに相似形状とされており、基部１２３ａの内周面に対して蛇行するように設けられている。ＡＣヒータ部１２３ｂ及びＤＣヒータ部１２３ｃは、後述する制御装置１５によって系統電源ＫからＡＣ（交流電圧）が供給される場合にＡＣヒータ部１２３ｂが発熱し、燃料電池１３４からＤＣ（直流電圧）が供給される場合にＤＣヒータ部１２３ｃが発熱する。

水温センサ１２４は、例えば、サーミスタ等であり、貯湯水供給管１２２ｃを流れる貯湯水（循環水）の温度Ｔ（水温）を計測する。そして、水温センサ１２４は、計測した温度Ｔ（水温）を制御装置１５に出力する。

水精製器１１３は、凝縮水をイオン交換樹脂によって純水化するようになっている。水精製器１１３は、改質水タンク１１４と連通しており、純水化された凝縮水が改質水タンク１１４に供給されるようになっている。

改質水タンク１１４は、水精製器１１３から供給される凝縮水を、蒸発部１３２を介して改質部１３３に供給する改質水として貯水するものである。尚、改質水タンク１１４は、供給された凝縮水が溢れ出た場合、オーバーフローライン１１４ａを介して水受け部材１１４ｂによって受け止められ、排水管１１４ｃから筐体１１０ａの外部に排水される。

改質水タンク１１４内には、改質水タンク１１４内に貯水された改質水の水量を検出する水位センサ１１４ｄが配設されている。ここで、水位センサ１１４ｄは、例えば、フロート式のセンサであり、フロートの上下量を可変抵抗（ポテンショメータ）により抵抗値に変換し、抵抗値の上下動によって水位（残水量）を検出する方式のセンサである。

燃料電池モジュール１１１は、ケーシング１３１、蒸発部１３２、改質部１３３及び燃料電池１３４を備えている。ケーシング１３１は、断熱性材料で箱状に形成されている。蒸発部１３２は、後述する燃焼ガスにより加熱されて、供給された改質水を蒸発させて水蒸気を生成するとともに、供給された改質用原料を予熱するものである。蒸発部１３２は、このように生成された水蒸気と予熱された改質用原料とを混合して改質部１３３に供給するものである。

蒸発部１３２には、一端が供給源Ｇｓに接続された改質用原料供給管１１１ａが接続されている。又、蒸発部１３２には、一端（下端）が改質水タンク１１４に接続された改質水供給管１１１ｂの他端が接続されている。

改質部１３３は、後述する燃焼ガスにより加熱されて水蒸気改質反応に必要な熱が供給されることで、蒸発部１３２から供給された混合ガス（改質用原料、水蒸気）から水蒸気を含む改質ガス（アノードガス）を生成して改質ガス送出管１３８から導出するものである。改質部１３３内には、触媒（例えば、Ｒｕ又はＮｉ系の触媒）が充填されており、混合ガスが触媒によって反応し改質されて水素ガスと一酸化炭素等を含んだガスが生成される（水蒸気改質反応）。改質ガスは、水素、一酸化炭素、二酸化炭素、水蒸気、未改質の天然ガス（メタンガス）、改質に使用されなかった改質水（水蒸気）を含んでいる。このように、改質部１３３は改質用原料（原燃料）と改質水とから改質ガス（燃料）を生成して燃料電池１３４に改質ガスを供給する。尚、水蒸気改質反応は吸熱反応である。

燃料電池１３４は、燃料極、空気極（酸化剤極）及び両極の間に介装された電解質からなる複数のセル１３４ａが積層されて構成されている。本実施形態の燃料電池１３４は、固体酸化物形燃料電池であり、電解質として固体酸化物の一種である酸化ジルコニウムを使用している。燃料電池１３４の燃料極には、燃料としての改質ガス、即ち、水素、一酸化炭素、メタンガス等が供給される。動作温度は４００℃～１０００℃程度である。尚、４００℃以下でも定格以下の発電量の発電は可能である。又、６００℃で発電開始を許可している。水素だけではなく天然ガスや石炭ガス等も直接燃料として用いることが可能である。この場合、改質部１３３は省略することができる。

セル１３４ａの燃料極側には、燃料である改質ガス（アノードガス）が流通する燃料流路１３４ｂが形成されている。セル１３４ａの空気極側には、酸化剤ガス（カソードガス）である空気（カソードエア）が流通する空気流路１３４ｃが形成されている。

燃料電池１３４は、マニホールド１３５上に設けられている。マニホールド１３５には、改質部１３３からの改質ガス（アノードガス）が改質ガス送出管１３８を介して供給される。燃料流路１３４ｂは、その下端（一端）がマニホールド１３５の燃料導出口から導出される改質ガスが下端から導入され上端から導出されるようになっている。カソードエアブロワ１１１ｃ１によって送出されたカソードエアはカソードエア供給管１１１ｃを介して供給され、空気流路１３４ｃの下端から導入され上端から導出されるようになっている。

カソードエアブロワ１１１ｃ１は、電動モータ１１１ｃ２により駆動されるもので、電動モータ１１１ｃ２の駆動デューティは、制御装置１５によって演算される。カソードエア供給管１１１ｃのカソードエアブロワ１１１ｃ１の下流側に設けられた流量センサ１１１ｃ３は、カソードエアブロワ１１１ｃ１が吐出するカソードエア流量を検出する。流量センサ１１１ｃ３は、検出結果を制御装置１５に送信するようになっている。

燃料電池１３４においては、燃料極に供給された燃料である改質ガス（アノードガス）と空気極に供給された酸化剤ガス（カソードガス）とによって発電が行われる。即ち、燃料極では、下記化１及び化２に示す反応が生じ、空気極では、下記化３に示す反応が生じている。具体的には、空気極で生成した酸化物イオン（Ｏ^２－）が電解質を透過し、燃料極で水素と反応することにより電気エネルギーを発生させている。そして、燃料流路１３４ｂ及び空気流路１３４ｃからは、発電に使用されなかった改質ガス及び酸化剤ガスが導出する。尚、反応によって燃料電池１３４内に生じた水（Ｈ_２Ｏ）は、水精製器１１３を介して改質水タンク１１４に送出される。
（化１）
Ｈ_２＋Ｏ^２－→Ｈ_２Ｏ＋２ｅ^－
（化２）
ＣＯ＋Ｏ^２－→ＣＯ_２＋２ｅ^－
（化３）
１／２Ｏ_２＋２ｅ^－→Ｏ^２－

発電に使用されなかった改質ガス（燃料オフガスとしてのアノードオフガス）は、燃料流路１３４ｂから燃焼部１３６（燃料電池１３４と改質部１３３との間に形成された空間）に導出される。同様に、発電に使用されなかった酸化剤ガス（カソードエアとしてのカソードオフガス）は、空気流路１３４ｃから燃焼部１３６に導出される。燃焼部１３６は、アノードオフガスがカソードオフガスにより燃焼されて、燃焼ガス（火炎１３７）にて蒸発部１３２及び改質部１３３を加熱する。更には、燃料電池モジュール１１１内を動作温度に加熱している。

燃焼部１３６には、アノードオフガスを着火させるための一対の着火ヒータ１３６ａ１，１３６ａ２が設けられている。燃焼部１３６で生じた燃焼排ガスは、電気化学反応によって燃料電池１３４内に生じた水とともに燃料電池モジュール１１１から排気管１１１ｄを通って熱交換器１１２に至る。

燃料電池システム１１を起動させるときには、後に詳述する制御装置１５は、発電運転に先立って暖機を実行する。暖機では、制御装置１５は、改質用原料ポンプ１１１ａ１を駆動させて改質用原料を改質用原料供給管１１１ａを介して燃料電池モジュール１１１の蒸発部１３２、改質部１３３及び燃料電池１３４から燃焼部１３６に供給させる。制御装置１５は、カソードエアブロワ１１１ｃ１も作動させ、空気流路１３４ｃを介して酸化剤ガスである空気（カソードガス）を燃料電池モジュール１１１のセル１３４ａの空気極を介して燃焼部１３６に供給させる。そして、着火ヒータ１３６ａ１，１３６ａ２が着火すると、燃焼部１３６において改質用原料が空気により燃焼する。燃焼部１３６における燃焼熱により、蒸発部１３２、改質部１３３及び燃料電池１３４が加熱される。蒸発部１３２、改質部１３３及び燃料電池１３４が所定の温度域に加熱されると、制御装置１５は、改質水ポンプ１１１ｂ２を作動させて改質部１３３での改質反応を開始し、暖機を終了して発電運転に移行させる。

制御装置１５が改質水ポンプ１１１ｂ２を作動させると、改質水タンク１１４内の改質水は、改質水供給管１１１ｂを介して蒸発部１３２に供給される。改質水は、蒸発部１３２で加熱されて水蒸気となる。水蒸気は、改質用原料供給管１１１ａから供給される改質用原料とともに改質部１３３に移動する。改質部１３３において改質用原料は、水蒸気で改質されて水蒸気を含む改質ガスであるアノードガス（水素含有ガス）となる（吸熱反応）。アノードガスは、燃料流路１３４ｂを介して燃料電池１３４のセル１３４ａの燃料極に供給される。又、カソードエアブロワ１１１ｃ１が作動して、カソードガス（空気）が空気流路１３４ｃを介してセル１３４ａの空気極に供給される。これにより、燃料電池１３４（燃料電池モジュール１１１）が発電運転となって発電する。

暖機中及び発電中において、燃料電池モジュール１１１で発生した高温の燃焼排ガスは、電気化学反応により燃料電池１３４内に生じた水とともに排気管１１１ｄを介して凝縮機能を有する熱交換器１１２（凝縮器）に排出される。高温の燃焼排ガスに含まれていた水蒸気は、熱交換器１１２（凝縮器）で冷却されるため、凝縮されて凝縮水となり、電気化学反応により燃料電池１３４内に生じた水とともに凝縮水供給管１１２ａを介して改質水タンク１１４に供給される。

筐体１１０ａには、外気を吸い込むための吸気口１１０ｂ、筐体１１０ａ内の空気を外部に排出するための換気用排気口１１０ｃ、及び、熱交換器１１２からの燃焼排ガスを外部に排出するための燃焼排ガス用排気口１１０ｄが形成されている。吸気口１１０ｂには、逆止弁１５４が設けられている。逆止弁１５４は、外部から筐体１１０ａ内への空気の流れは許容するが、逆方向への流れを規制するものである。

換気用排気口１１０ｃには、電動モータによって駆動される換気ファン１５５が設けられている。換気ファン１５５は、筐体１１０ａ内の空気（換気排気）を外部に送出するものである。

貯湯槽１２１には、図２に示すように、高圧給水源Ｓｗ（例えば、水道管）に減圧弁１４１を介して接続された給水管１４２から水道水が給水される。給水管１４２に設けられた水温計測装置１６７、例えば、サーミスタ等によって水道水の温度が計測され、制御装置１５に出力される。貯湯槽１２１は、貯湯水循環ライン１２２による排熱回収によって温められて生成した、例えば、７０℃に調整された湯を貯める。

貯湯槽１２１の湯は、湯供給管１６１から混合弁１６２に流入する。混合弁１６２は、給水管１４２と水供給管１４２ａを介して接続されている。混合弁１６２は、貯湯槽１２１から湯供給管１６１を介して流入する湯と高圧給水源Ｓｗから給水管１４２、水供給管１４２ａを介して流入する水との湯／水混合比を調整して、貯湯槽１２１の湯の温度よりも低い設定温度、例えば、３０℃に調整された混合湯を生成する。混合湯は、混合湯供給管１６３を介して給湯器Ｗｈの給水側に接続される。給湯器Ｗｈは、混合湯供給管１６３から給水された混合湯を直接又は加熱して、給湯栓１６８から給湯するものである。

図２に示すように、給水管１４２を混合湯供給管１６３に接続するバイパス通路１６４には、非通電時に開状態となるノーマルオープンの電磁開閉弁１６５が設けられている。電磁開閉弁１６５は、例えば、混合弁１６２又は混合弁１６２の制御系の故障によって湯と水の混合（制御）ができなくなり、混合湯供給管１６３の混合湯の温度が上昇して予め設定された混合湯上限温度（例えば、５０℃）を超えた場合に、制御装置１５によって開状態に切り替えられる。電磁開閉弁１６５が開状態とされて給水管１４２から水を混合湯供給管１６３に導くことにより、混合湯供給管１６３置ける混合湯の温度を下げて、異常高温出湯を防止する。混合湯の温度は、混合湯供給管１６３のバイパス通路１６４との合流部よりも下流側に設けられた湯温計測装置１６６、例えば、サーミスタ等により計測され、制御装置１５に出力される。

系統電源Ｋは、系統電源Ｋに接続された電源ライン１２を介して電力負荷１３に交流電圧（以下、交流電圧を「ＡＣ」とも称呼する。）を供給するものである。燃料電池システム１１の燃料電池１３４はパワーコンディショナー１４を介して電源ライン１２に接続されている。電力負荷１３は、燃料電池システム１１の外に配設されている電力負荷であり、例えば、家庭内に設置された電化製品（家電製品）である。電源ライン１２は、系統電源Ｋに対する電力の入出力及び電力量を検知する電力測定装置１２ａが設けられており、その検知結果が制御装置１５に出力されている。

内部負荷の一つである補機Ｓは、蒸発部１３２に改質水、改質用原料を供給するためのモータ駆動の各ポンプ１１１ａ１，１１１ｂ２及び電磁式バルブ（図示省略）、燃料電池１３４にカソードエアを供給するためのモータ駆動のブロワ１１１ｃ１及び電磁式バルブ、貯湯水循環ライン１２２を循環する貯湯水を加熱するヒータ１２３などから構成されている。ここで、各ポンプ１１１ａ１，１１１ｂ２及びブロワ１１１ｃ１は、直流電圧（以下、直流電圧を「ＤＣ」とも称呼する。）が供給されて駆動される。又、ヒータ１２３は、ＡＣ及びＤＣの少なくとも一方が供給されて発熱する。

パワーコンディショナー１４は、燃料電池１３４（燃料電池モジュール１１１）から出力されるＤＣを所定の電圧値を有するＡＣに変換して系統電源Ｋに接続されている電源ライン１２に出力する機能を有している。又、パワーコンディショナー１４は、電源ライン１２からのＡＣを所定の電圧値を有するＤＣに変換して補機Ｓ及び内部負荷としての制御装置１５に出力する機能を有している。更に、パワーコンディショナー１４は、燃料電池１３４からのＤＣを所定の電圧値を有するＤＣに変換して補機Ｓ及び制御装置１５に出力する機能と、を有している。このため、パワーコンディショナー１４は、図１に示すように、ＤＣ／ＤＣコンバータ１４ａ、ＤＣ／ＡＣインバータ１４ｂ、ＡＣ／ＤＣコンバータ１４ｃ、制御用ＤＣ／ＤＣコンバータ１４ｄ、及び、補機用ＤＣ／ＤＣコンバータ１４ｅを含んで構成される。

具体的に、ＤＣ／ＤＣコンバータ１４ａは、燃料電池システム１１の燃料電池１３４から出力される直流電圧（例えば、４０Ｖ）を所定の直流電圧（例えば、３５０Ｖ）に変換するものである。ＤＣ／ＡＣインバータ１４ｂは、ＤＣ／ＤＣコンバータ１４ａから出力される直流電圧を交流電圧（例えば、２００Ｖ）に変換して電源ライン１２に出力するものである。

ＤＣ／ＤＣコンバータ１４ａ及びＤＣ／ＡＣインバータ１４ｂは、第三電力供給ラインＬ３上に直列に設けられている。第三電力供給ラインＬ３の一端が第一電力供給ラインＬ１上であって燃料電池システム１１の燃料電池１３４と制御用ＤＣ／ＤＣコンバータ１４ｄ及び補機用ＤＣ／ＤＣコンバータ１４ｅとの間の部分に接続され、他端が第二電力供給ラインＬ２上であって系統電源ＫとＡＣ／ＤＣコンバータ１４ｃとの間の部分に接続されている。

ＡＣ／ＤＣコンバータ１４ｃは、起動運転時（暖機）及び停止運転時だけでなく定常運転時（発電運転時）においても、系統電源Ｋから出力されるＡＣを入力してＤＣ（直流電圧）に変換して制御用ＤＣ／ＤＣコンバータ１４ｄ及び補機用ＤＣ／ＤＣコンバータ１４ｅに出力する。ＡＣ／ＤＣコンバータ１４ｃは、定常運転時であって燃料電池１３４が所定発電量以上で発電している場合には、低待機電力を出力する低待機運転で稼働される。例えば、燃料電池１３４の出力電圧が５０Ｖ以上である場合には、ＡＣ／ＤＣコンバータ１４ｃは低待機運転で稼働される。

一方、ＡＣ／ＤＣコンバータ１４ｃは、定常運転時であっても燃料電池１３４が所定発電量未満で発電している場合、起動運転時である場合及び停止運転時である場合には、低待機電力より高い補機Ｓの駆動に必要な電力を出力する定常運転で稼働される。例えば、燃料電池１３４の出力電圧が５０Ｖ未満である場合には、ＡＣ／ＤＣコンバータ１４ｃは定常運転で稼働される。

具体的には、ＡＣ／ＤＣコンバータ１４ｃは、絶縁型のＡＣ／ＤＣコンバータであり、例えば、トランスを含んで構成されている。ＡＣ／ＤＣコンバータ１４ｃは、低待機電力を待機運転時に出力するためのスタンバイ電源部（図示省略）と、低待機電力より高い補機Ｓの駆動に必要な電力を必要なときに（定常運転時に）出力するためのメイン電源部（図示省略）と、を備えている。尚、スタンバイ電源部はスイッチング電源であるため、待機運転時にメイン電源の電力消費がない場合、スイッチング素子のスイッチング動作を一定期間継続させ、次に一定期間スイッチング動作を停止させるのを繰り返す間欠（バースト）発振方式で動作されている。

又、ＡＣ／ＤＣコンバータ１４ｃは、システム運転中だけでなく、システム停止中（待機時を含む）においても、系統電源Ｋから出力されるＡＣ（交流電圧）を入力しＤＣ（直流電圧）に変換して制御用ＤＣ／ＤＣコンバータ１４ｄ及び補機用ＤＣ／ＤＣコンバータ１４ｅに出力する。このとき、ＡＣ／ＤＣコンバータ１４ｃは、低待機電力を出力する低待機運転で稼働される。

制御用ＤＣ／ＤＣコンバータ１４ｄは、燃料電池システム１１の燃料電池１３４又はＡＣ／ＤＣコンバータ１４ｃからのＤＣ（直流電圧）を入力して所定の直流電圧（例えば、５Ｖ）に変換し、制御装置１５に電源電圧として供給するものである。補機用ＤＣ／ＤＣコンバータ１４ｅは、燃料電池システム１１の燃料電池１３４又はＡＣ／ＤＣコンバータ１４ｃからのＤＣ（直流電圧）を入力して所定の直流電圧（例えば、２４Ｖ）に変換して、補機ＳにＤＣの電源電圧として供給するものである。

補機用ＤＣ／ＤＣコンバータ１４ｅは、制御装置１５に接続されており、制御装置１５からの指令により駆動又は停止を制御されるようになっている。例えば、系統電源Ｋが停電して燃料電池システム１１の燃料電池１３４が自立して発電している状態（自立運転状態）において、制御装置１５からの駆動指令により補機用ＤＣ／ＤＣコンバータ１４ｅが稼働することができる。これにより、補機用ＤＣ／ＤＣコンバータ１４ｅは、燃料電池１３４の発電動作によって発生する余剰発電電力を補機Ｓに供給することができ、補機Ｓが余剰発電電力を用いて作動する（具体的には、ヒータ１２３のＤＣヒータ部１２３ｃがＤＣ（直流電圧）の余剰発電電力を用いて循環水を加熱する）ことで余剰電力を消費することができる。又、待機時において制御装置１５からの停止指令により補機用ＤＣ／ＤＣコンバータ１４ｅは運転が停止される。これにより、待機時に補機用ＤＣ／ＤＣコンバータ１４ｅを停止させることで、待機電力を小さく抑制することができる。

制御用ＤＣ／ＤＣコンバータ１４ｄ及び補機用ＤＣ／ＤＣコンバータ１４ｅは、第一電力供給ラインＬ１上に設けられている。第一電力供給ラインＬ１の一端は燃料電池１３４に接続され、他端は制御装置１５及び補機Ｓに接続されている。他端側は二つに分岐しており、各分岐に制御用ＤＣ／ＤＣコンバータ１４ｄ及び補機用ＤＣ／ＤＣコンバータ１４ｅが設けられている。第一電力供給ラインＬ１は、燃料電池１３４から出力されるＤＣを制御装置１５及び補機Ｓに供給するものである。

第一電力供給ラインＬ１上には、第一整流素子１４ｆが第二電力供給ラインＬ２との合流点より燃料電池１３４の側に設けられている。具体的には、第一整流素子１４ｆは、第一電力供給ラインＬ１に対する第二電力供給ラインＬ２との合流点と第三電力供給ラインＬ３との合流点との間の部分に設けられている。第一整流素子１４ｆは、燃料電池１３４から制御用ＤＣ／ＤＣコンバータ１４ｄ及び補機用ＤＣ／ＤＣコンバータ１４ｅに向けて流れる電流のみを許容する。本実施形態では、第一整流素子１４ｆは、例えば、ダイオードで構成されている。

第二電力供給ラインＬ２上には、第二整流素子１４ｇが設けられている。具体的には、第二整流素子１４ｇは、ＡＣ／ＤＣコンバータ１４ｃと第一電力供給ラインＬ１との合流点との間の部分に設けられている。第二整流素子１４ｇは、ＡＣ／ＤＣコンバータ１４ｃから第一電力供給ラインＬ１に向けて流れる電流のみを許容する。

又、第一電力供給ラインＬ１上には、第一スイッチ１４ｈが第二電力供給ラインＬ２との合流点より燃料電池１３４の側に設けられている。第一スイッチ１４ｈは、制御装置１５の指示によって、燃料電池１３４と制御用ＤＣ／ＤＣコンバータ１４ｄ及び補機用ＤＣ／ＤＣコンバータ１４ｅとの間を、起動運転時及び停止運転時において遮断し、定常運転時において連通するスイッチである。

第二スイッチ１４ｉは、ＤＣ／ＡＣインバータ１４ｂと系統電源Ｋ（又は電源ライン１２）との間に配設されている。具体的には、第二スイッチ１４ｉは、第三電力供給ラインＬ３上であってＤＣ／ＡＣインバータ１４ｂと第二電力供給ラインＬ２との合流点との間の部分に設けられている。第二スイッチ１４ｉは、ＤＣ／ＡＣインバータ１４ｂと系統電源Ｋとを制御装置１５の指示によって通電又は遮断するスイッチである。

第一電力供給ラインＬ１上には、電流測定装置１４ｊと電流測定装置１４ｋが設けられている。電流測定装置１４ｊ及び電流測定装置１４ｋは、何れも第一電力供給ラインＬ１を流れる電流の電流値を測定する電流測定装置である。具体的には、電流測定装置１４ｊは、測定用の抵抗（図示省略）を備えて燃料電池１３４から出力される電流（出力電流）を測定するものであり、その測定結果を制御装置１５に送信するようになっている。電流測定装置１４ｋは、測定用の抵抗（図示省略）を備えて制御用ＤＣ／ＤＣコンバータ１４ｄ及び補機用ＤＣ／ＤＣコンバータ１４ｅに入力する電流（入力電流）を測定するものであり、その測定結果を制御装置１５に送信するようになっている。

又、パワーコンディショナー１４は、系統電源Ｋから補機Ｓに直接的にＡＣ（交流電圧）を供給する第四電力供給ラインＬ４を有している。第四電力供給ラインＬ４の一端は第二電力供給ラインＬ２上にてＡＣ／ＤＣコンバータ１４ｃよりも系統電源Ｋの側に接続され、他端は補機Ｓ、より具体的には、補機Ｓを構成するヒータ１２３のＡＣヒータ部１２３ｂに接続されている。

又、第四電力供給ラインＬ４上には、第三スイッチ１４ｌが設けられている。第三スイッチ１４ｌは、系統電源Ｋと補機Ｓ（ヒータ１２３を構成するＡＣヒータ部１２３ｂ）とを制御装置１５の指示によって連通・遮断するものである。制御装置１５は、燃料電池１３４が発電していると判定すると、第三スイッチ１４ｌを開状態に切り替え、燃料電池１３４が発電していない（発電を開始する起動前を含む）場合には第三スイッチ１４ｌを閉状態に切り替える。

又、発電システム１０は、ブレーカ１６を備えている。ブレーカ１６は、電源ライン１２とパワーコンディショナー１４とを接続する電源ラインに設けられている。ブレーカ１６は、ある量以上の電力を使ったり、異常電流が流れたりすると、回路を自動的に遮断して、ブレーカ１６を介して系統電源Ｋからシステム内部にＡＣ（交流電圧）が供給されることを禁止する。

制御装置１５は、燃料電池システム１１を主として、発電システム１０の全体的な制御を統括して行うものであり、燃料電池システム１１の補機Ｓの駆動を制御したり、パワーコンディショナー１４の駆動を制御したりする。制御装置１５はマイクロコンピュータ（図示省略）を有しており、マイクロコンピュータは、バスを介してそれぞれ接続されたＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭ及び入出力インターフェース（何れも図示省略）を備えている。ＣＰＵは、後述するヒータ通電制御プログラムを含む各種プログラムを実行して燃料電池システム１１（発電システム１０）の運転を制御する。ＲＡＭはヒータ通電制御プログラムを含む各種プログラムの実行に必要な変数を一時的に記憶するものであり、ＲＯＭはヒータ通電制御プログラムを含む各種プログラムを記憶するものである。

制御装置１５には、待機時でも燃料電池システム１１の運転時（起動運転時、定常運転時（発電運転時）及び停止運転時を含む）でも常にＤＣ（直流電圧）が供給されている。起動運転時は燃料電池システム１１に対する起動指令が出てから燃料電池１３４が発電を開始するまでの間であり、停止制御時は燃料電池システム１１に対する停止指令が出てから燃料電池システム１１（燃料電池１３４）が停止するまでの間である。待機時は、燃料電池システム１１（燃料電池１３４）の発電停止状態のことであり、ユーザによる発電指示（スタートスイッチのオン等）を待っている状態のことである。

このように構成された発電システム１０の作動について説明する。燃料電池システム１１の発電準備時（起動運転時）には、燃料電池１３４は暖機中であって発電していないため、系統電源Ｋから燃料電池システム１１の補機Ｓに電力が供給される。即ち、ＤＣ／ＡＣインバータ１４ｂ及びＤＣ／ＤＣコンバータ１４ａの駆動が制御装置１５の指令によって停止される。又、第一スイッチ１４ｈ及び第二スイッチ１４ｉは、制御装置１５の指令によって遮断状態（開状態）にされる。又、ＡＣ／ＤＣコンバータ１４ｃは、定常運転されている。これにより、系統電源ＫからのＡＣ（交流電圧）がＡＣ／ＤＣコンバータ１４ｃによってＤＣ（直流電圧）に変換される。変換されたＤＣ（直流電圧）は、制御用ＤＣ／ＤＣコンバータ１４ｄによって降圧されて制御装置１５に供給される（供給は待機時から継続されることとなる）とともに、補機用ＤＣ／ＤＣコンバータ１４ｅによって降圧されて補機Ｓのうち燃料電池１３４の起動（暖機）に必要な各ポンプ１１１ａ１，１１１ｂ２及びブロワ１１１ｃ１に供給される。尚、この場合、第一スイッチ１４ｈは遮断状態であるため、起動した燃料電池１３４からの突入電流を防止することができる。

ところで、発電準備時（起動運転時）においては、補機Ｓを構成するヒータ１２３には、ＡＣ（交流電圧）を供給し、ＡＣヒータ部１２３ｂが発熱することにより貯湯水供給管１２２ｃを流れる貯湯水（循環水）を加熱して、例えば、凍結等を防止することができる。燃料電池システム１１の発電準備時（起動運転時）即ち燃料電池モジュール１１１（燃料電池１３４）が発電を開始する前においてヒータ１２３にＡＣ（交流電圧）を通電する場合には、制御装置１５は、図５に示すＡＣヒータ通電制御プログラムを実行する。以下、燃料電池モジュール１１１（燃料電池１３４）が発電していない発電準備時に実行されるＡＣヒータ通電制御プログラムを詳細に説明する。

燃料電池モジュール１１１（燃料電池１３４）が発電していない即ち燃料電池システム１１が停止している場合、制御装置１５（より詳しくは、ＣＰＵ。以下同じ。）は図５に示すＡＣヒータ通電制御プログラムの実行をステップＳ１０にて開始する。続くステップＳ１１において、制御装置１５は、水温センサ１２４から入力した温度Ｔが予め設定された低温側基準温度Ｔｌ未満であるか否か、換言すれば、貯湯水（循環水）を含む燃料電池システム１１の温度Ｔが低温であるか否かを判定する。即ち、制御装置１５は、貯湯水（循環水）の温度Ｔが低温側基準温度Ｔｌ未満であれば（低温であれば）「Ｙｅｓ」と判定してステップＳ１２に進む。一方、制御装置１５は、貯湯水（循環水）の温度Ｔが低温側基準温度Ｔｌ以上であれば（高温であれば）「Ｎｏ」と判定し、貯湯水（循環水）の温度Ｔが低温側基準温度Ｔｌ未満となるまで繰り返しステップＳ１１の判定処理を実行する。

ステップＳ１２においては、制御装置１５は、貯湯水循環ポンプ１２２ａ（循環水ポンプ）を駆動させる。具体的に説明すると、制御装置１５は、図６に示すように、貯湯水循環ポンプ１２２ａを定常駆動させるために予め設定された駆動デューティＤｋ（例えば、８０％程度）を用いて貯湯水循環ポンプ１２２ａを構成する電動モータを駆動させ、貯湯水循環ポンプ１２２ａを回転させる。そして、制御装置１５は、貯湯水循環ポンプ１２２ａを駆動させると、ステップＳ１３に進む。

ところで、貯湯水供給管１２２ｃに貯湯水が存在している場合、貯湯水循環ポンプ１２２ａは作動することに伴って貯湯水を加圧することができ、その結果、図６にて実線により示すように、駆動デューティＤｋが供給された際の貯湯水循環ポンプ１２２ａの回転数Ｅは相対的に小さくなる。一方、例えば、メンテナンスや試運転により貯湯水供給管１２２ｃに貯湯水が存在していない場合、貯湯水循環ポンプ１２２ａは貯湯水を加圧することなく空転し、その結果、図６にて破線により示すように、駆動デューティＤｋが供給された際の貯湯水循環ポンプ１２２ａの回転数Ｅは相対的に大きくなる。即ち、貯湯水循環ポンプ１２２ａの回転数Ｅについては、図６に示すように、駆動デューティＤｋが供給された際において貯湯水を加圧する場合の回転数Ｅと、駆動デューティＤｋが供給された際において空転する場合の回転数Ｅと、の間において、例えば、予め実験的に決定される基準回転数Ｅｏを設定することができる。

従って、制御装置１５は、ステップＳ１３において、前記ステップＳ１２にて駆動デューティＤｋを供給して駆動させた際に回転数センサ１２２ａ１から入力した貯湯水循環ポンプ１２２ａの回転数Ｅと基準回転数Ｅｏとを比較判定する。即ち、制御装置１５は、回転数Ｅが基準回転数Ｅｏ以下であれば、貯湯水供給管１２２ｃに貯湯水が存在しているため、「Ｙｅｓ」と判定してステップＳ１４に進む。一方、制御装置１５は、回転数Ｅが基準回転数Ｅｏよりも大きければ、貯湯水供給管１２２ｃに貯湯水が存在していないため、「Ｎｏ」と判定してステップＳ１７に進む。

ステップＳ１４においては、制御装置１５は、貯湯水供給管１２２ｃの内部に貯湯水（循環水）が存在しているため、ヒータ１２３のＡＣヒータ部１２３ｂに対するＡＣ（交流電圧）の供給（通電）を許可する。このため、制御装置１５は、パワーコンディショナー１４の第三スイッチ１４ｌを閉状態に切り替え、第四電力供給ラインＬ４を介して系統電源ＫからＡＣ（交流電圧）をヒータ１２３のＡＣヒータ部１２３ｂに供給する。これにより、ヒータ１２３のＡＣヒータ部１２３ｂは、パワーコンディショナー１４を介して系統電源Ｋから供給されたＡＣ（交流電圧）によって発熱し、貯湯水供給管１２２ｃの内部に存在して循環する貯湯水（循環水）を加熱する。制御装置１５は、第三スイッチ１４ｌを閉状態に切り替えてＡＣヒータ部１２３ｂへのＡＣ（交流電圧）の通電を許可すると、ステップＳ１５に進む。

ステップＳ１５においては、制御装置１５は、水温センサ１２４から入力した温度Ｔが予め設定された高温側基準温度Ｔｈ以上であるか否か、換言すれば、貯湯水（循環水）を含む燃料電池システム１１の温度Ｔが高温であるか否かを判定する。即ち、制御装置１５は、貯湯水（循環水）の温度Ｔが高温側基準温度Ｔｈ以上であれば（高温であれば）「Ｙｅｓ」と判定してステップＳ１６に進む。一方、制御装置１５は、貯湯水（循環水）の温度Ｔが高温側基準温度Ｔｈ未満であれば（低温であれば）「Ｎｏ」と判定し、貯湯水（循環水）の温度Ｔが高温側基準温度Ｔｈ以上となるまで繰り返しステップＳ１５の判定処理を実行する。

ステップＳ１６においては、制御装置１５は、貯湯水（循環水）の温度Ｔが高温側基準温度Ｔｈ以上となっており、加熱する必要がないため、ヒータ１２３のＡＣヒータ部１２３ｂに対するＡＣ（交流電圧）の供給（通電）を遮断する。このため、制御装置１５は、パワーコンディショナー１４の第三スイッチ１４ｌを開状態に切り替え、系統電源Ｋから第四電力供給ラインＬ４を介してヒータ１２３のＡＣヒータ部１２３ｂに供給されるＡＣ（交流電圧）を遮断する。これにより、ヒータ１２３のＡＣヒータ部１２３ｂは、ＡＣ（交流電圧）が供給されることによる発熱を終了し、貯湯水供給管１２２ｃの内部に存在して循環する貯湯水（循環水）の加熱を終了する。制御装置１５は、第三スイッチ１４ｌを閉状態に切り替えてＡＣヒータ部１２３ｂへのＡＣ（交流電圧）の通電を遮断すると、再び、前記ステップＳ１１に戻り、前記ステップＳ１１の判定処理を実行する。

一方、前記ステップＳ１３にて貯湯水循環ポンプ１２２ａの回転数Ｅが基準回転数Ｅｏよりも大きければ、ステップＳ１７に進む。ステップＳ１７においては、制御装置１５は、貯湯水供給管１２２ｃの内部に貯湯水（循環水）が存在していないため、ヒータ１２３のＡＣヒータ部１２３ｂへのＡＣ（交流電圧）の供給（通電）を不可として禁止する。このため、制御装置１５は、パワーコンディショナー１４の第三スイッチ１４ｌを開状態として維持する。これにより、ヒータ１２３のＡＣヒータ部１２３ｂには、系統電源ＫからＡＣ（交流電圧）が供給（通電）されず、その結果、貯湯水供給管１２２ｃの内部に貯湯水（循環水）が存在していない状態でのＡＣヒータ部１２３ｂの発熱が防止される。制御装置１５は、第三スイッチ１４ｌを開状態に維持してＡＣヒータ部１２３ｂへのＡＣ（交流電圧）の通電を禁止すると、ステップＳ１８に進む。

ステップＳ１８においては、制御装置１５は、ユーザ又はメンテナンス作業者に対して、貯湯水循環ライン１２２或いは貯湯槽１２１に貯湯水（循環水）が存在しない（所謂、水なしエラー）を報知する。そして、制御装置１５は、水なしエラーを報知すると、ステップＳ１９に進み、ＡＣヒータ通電制御プログラムの実行を終了する。

又、燃料電池システム１１の発電運転時においては、ＤＣ／ＤＣコンバータ１４ａ及びＤＣ／ＡＣインバータ１４ｂが、制御装置１５の指令によって駆動される。又、燃料電池システム１１の発電運転時においては、第二スイッチ１４ｉは、制御装置１５の指令によって連通状態（閉状態）にされる。これにより、燃料電池システム１１の燃料電池１３４によって発電された電力が、ＤＣ／ＤＣコンバータ１４ａ及びＤＣ／ＡＣインバータ１４ｂを経て電力負荷１３に供給される。

又、発電運転時においては、第一スイッチ１４ｈは、連通状態（閉状態）が維持されている。この場合、燃料電池システム１１の燃料電池１３４の出力電圧が５０Ｖ以上である場合には、ＡＣ／ＤＣコンバータ１４ｃは低待機運転で稼働される。これにより、燃料電池システム１１の燃料電池１３４からの電力が、制御用ＤＣ／ＤＣコンバータ１４ｄ及び補機用ＤＣ／ＤＣコンバータ１４ｅに、ひいては、制御装置１５及び補機Ｓ（ヒータ１２３を含む）に供給される。尚、燃料電池１３４の出力電圧が５０Ｖ未満である場合には、ＡＣ／ＤＣコンバータ１４ｃは定常運転で稼働される。これにより、燃料電池１３４からの電力は供給されているが、燃料電池１３４からの電力より電圧の高いＡＣ／ＤＣコンバータ１４ｃからの電力が、制御用ＤＣ／ＤＣコンバータ１４ｄ及び補機用ＤＣ／ＤＣコンバータ１４ｅに、ひいては、制御装置１５及び補機Ｓ（ヒータ１２３を含む）に供給される。

ところで、例えば、系統電源Ｋに停電等が発生した場合、燃料電池システム１１は自立発電を行う自立運転により発電を継続する場合がある。この場合、燃料電池１３４によって発電された電力から電力負荷１３によって消費される消費電力を減じた余剰電力が発生する場合がある。そこで、制御装置１５は、自立運転時において、生じた余剰電力（ＤＣ（直流電圧））をヒータ１２３の作動によって消費すべく、図７に示すＤＣヒータ通電制御プログラムを実行する。以下、自立運転時において燃料電池１３４が発電している場合に実行されるＤＣヒータ通電制御プログラムを詳細に説明する。

自立運転時の場合、制御装置１５（より詳しくは、ＣＰＵ。以下同じ）は、図７に示すＤＣヒータ通電制御プログラムの実行をステップＳ５０にて開始する。続くステップＳ５１において、制御装置１５は、燃料電池システム１１の燃料電池１３４が自立運転中（単独運転中）であるか否かを判定する。即ち、制御装置１５は、各ポンプ１１１ａ１，１１１ｂ２及びブロワ１１１ｃ１を駆動させており、且つ、電流測定装置１４ｊから入力した電流値が燃料電池１３４の作動に伴って発電される電力の電流値以上であれば、燃料電池１３４が自立運転中（単独運転中）である。このため、制御装置１５は、ステップＳ５１にて「Ｙｅｓ」と判定して、ステップＳ５２に進む。

一方、制御装置１５は、各ポンプ１１１ａ１，１１１ｂ２及びブロワ１１１ｃ１を駆動させていない、又は、電流測定装置１４ｊから入力した電流値が燃料電池１３４の作動に伴って発電される電力の電流値未満であれば、燃料電池１３４が自立運転中ではなく、停止運転となっている。このため、制御装置１５は、ステップＳ５１にて「Ｎｏ」と判定してステップＳ５６に進み、ＤＣヒータ通電制御プログラムの実行を終了する。

ステップＳ５２においては、制御装置１５は、燃料電池１３４の発電に伴って余剰発電電力が発生しているか否かを判定する。即ち、制御装置１５は、燃料電池１３４の発電量から、例えば、各ポンプ１１１ａ１，１１１ｂ２及びブロワ１１１ｃ１の駆動に伴って消費される消費電力及び電力負荷１３によって消費される消費電力を減じた差分値がゼロ又は正であれば、余剰発電電力が発生しているため、「Ｙｅｓ」と判定してステップＳ５３に進む。一方、制御装置１５は、差分値が負であれば、余剰発電電力が発生していないため、「Ｎｏ」と判定してステップＳ５５に進む。

ステップＳ５３においては、制御装置１５は、燃料電池１３４の発電に伴って発生している余剰発電電力（ＤＣ（直流電圧））のヒータ１２３のＤＣヒータ部１２３ｃへの供給（通電）を許可する。そして、制御装置１５は、余剰発電電力（ＤＣ（直流電圧））のＤＣヒータ部１２３ｃへの供給（通電）を許可すると、ステップＳ５４に進む。ここで、ステップＳ５３のステップ処理が実行される場合、燃料電池システム１１は自立運転中（単独運転中）、即ち、発電運転中である。この場合、貯湯水供給管１２２ｃの内部に貯湯水（循環水）が存在しない状態では、熱交換器１１２における熱交換を行うことができない。従って、貯湯水（循環水）を循環させることができない状況で、燃料電池１３４が発電を行った場合には、熱交換器１１２の内部が高温になり、この場合には、システム異常として、燃料電池１３４における発電が強制的に停止される。換言すれば、燃料電池１３４が発電する場合には、貯湯水供給管１２２ｃの内部に貯湯水（循環水）が存在する。

ステップＳ５４においては、制御装置１５は、余剰発電電力（ＤＣ（直流電圧））をヒータ１２３のＤＣヒータ部１２３ｃに供給して、余剰発電電力（ＤＣ（直流電圧））を消費する。上述したように、補機Ｓには、制御装置１５の指示により稼働している補機用ＤＣ／ＤＣコンバータ１４ｅを介して燃料電池１３４からＤＣ（直流電圧）が供給される。従って、制御装置１５は、余剰発電電力（ＤＣ（直流電圧））が発生している場合には、補機用ＤＣ／ＤＣコンバータ１４ｅを制御して、余剰発電電力（ＤＣ（直流電圧））をヒータ１２３のＤＣヒータ部１２３ｃに供給する。これにより、ヒータ１２３のＤＣヒータ部１２３ｃは、パワーコンディショナー１４を介して燃料電池１３４から供給された余剰発電電力（ＤＣ（直流電圧））によって発熱し、その結果、余剰発電電力（ＤＣ（直流電圧））を消費しながら貯湯水供給管１２２ｃの内部に存在して循環する貯湯水（循環水）を加熱する。制御装置１５は、ＤＣヒータ部１２３ｃに余剰発電電力（ＤＣ（直流電圧））を供給して消費すると、前記ステップＳ５１に戻り、前記ステップＳ５１の判定処理を実行する。

以上の説明からも理解できるように、上記実施形態の発電システム１０は、燃料と酸化剤ガスとにより発電する発電ユニット１１０（燃料電池モジュール１１１）と、発電ユニット１１０（燃料電池モジュール１１１）が発電することに伴って発生する燃焼排ガスと貯湯槽１２１から貯湯水供給管１２２ｃを介して供給される循環水（貯湯水）との間で熱交換する熱交換器１１２と、循環水（貯湯水）を圧送する循環水ポンプとしての貯湯水循環ポンプ１２２ａと、貯湯水循環ポンプ１２２ａの回転数Ｅに関連する物理量を検出するセンサとしての回転数センサ１２２ａ１と、貯湯水供給管１２２ｃに設けられて循環水（貯湯水）を加熱するヒータ１２３と、発電ユニット１１０（燃料電池モジュール１１１）の発電、貯湯水循環ポンプ１２２ａの駆動、及び、ヒータ１２３の作動を統括して制御する制御装置１５と、を備えた発電システムであって、制御装置１５は、貯湯水循環ポンプ１２２ａを所定の駆動デューティＤｋで駆動させた際に回転数センサ１２２ａ１によって検出された物理量に基づく回転数Ｅが予め設定された基準回転数Ｅｏ以下（基準回転数以下）である場合に、ヒータ１２３が循環水（貯湯水）を加熱することを許可し、回転数Ｅが基準回転数Ｅｏよりも大きい場合に、ヒータ１２３が循環水（貯湯水）を加熱することを禁止する、ように構成される。

この場合、発電ユニット１１０は、燃料と酸化剤ガスとにより発電する燃料電池１３４と、供給源Ｇｓから改質用原料供給管１１１ａを介して供給された改質用原料と改質水を蒸発させた水蒸気とから燃料を生成して燃料電池１３４に燃料を供給する改質部１３３と、を有する燃料電池モジュール１１１と、改質部１３３に改質水供給管１１１ｂを介して供給する改質水を貯水する改質水タンク１１４と、を備えており、発電システム１０は、更に、燃料電池モジュール１１１と系統電源Ｋとに接続され、且つ、制御装置１５によって制御されて、燃料電池モジュール１１１からの直流電圧（ＤＣ）をヒータ１２３（ＤＣヒータ部１２３ｃ）に供給するとともに、系統電源Ｋからの交流電圧（ＡＣ）をヒータ１２３（ＡＣヒータ部１２３ｂ）に供給するパワーコンディショナー１４と、を備えることができる。

これらによれば、制御装置１５は、回転数センサ１２２ａ１によって検出された貯湯水循環ポンプ１２２ａの回転数Ｅと基準回転数Ｅｏとの比較に基づき、ヒータ１２３が循環水（貯湯水）を加熱することを許可又は禁止することができる。貯湯水循環ポンプ１２２ａは、貯湯水供給管１２２ｃの内部に循環水（貯湯水）が存在している場合において所定の駆動デューティＤｋで駆動する際には圧送に伴う抵抗に起因して回転数Ｅが低下する傾向を有し、貯湯水供給管１２２ｃの内部に循環水（貯湯水）が存在していない場合において所定の駆動デューティＤｋで駆動する際には空転に伴って回転数Ｅが増加する傾向を有する。

これにより、回転数センサ１２２ａ１によって検出された回転数Ｅが基準回転数Ｅｏ以下（基準回転数以下）の場合には貯湯水供給管１２２ｃの内部に循環水（貯湯水）が存在しているため、制御装置１５がヒータ１２３を作動させても空焚きにはならない。一方、回転数センサ１２２ａ１によって検出された回転数Ｅが基準回転数Ｅｏよりも大きい場合には貯湯水供給管１２２ｃの内部に循環水（貯湯水）が存在していないため、制御装置１５はヒータ１２３の作動を禁止して空焚きを防止することができる。従って、別途高価なフロートセンサや流量センサ等を設けなくても、簡単な構成且つ低コストにより、ヒータ１２３の空焚きを防止することができる。

この場合、ヒータ１２３は、系統電源Ｋから交流電圧（ＡＣ）が供給されて発熱する第一ヒータ部としてのＡＣヒータ部１２３ｂと、発電ユニット１１０（燃料電池モジュール１１１）によって発電された直流電圧（ＤＣ）が供給されて発熱する第二ヒータ部としてのＤＣヒータ部１２３ｃと、を有し、制御装置１５は、発電ユニット１１０（燃料電池モジュール１１１）が発電することを停止しており、且つ、貯湯水循環ポンプ１２２ａが作動しているときに、回転数Ｅが基準回転数Ｅｏ以下（基準回転数以下）である場合において系統電源ＫからＡＣヒータ部１２３ｂに交流電圧（ＡＣ）を供給してＡＣヒータ部１２３ｂを作動させて循環水（貯湯水）を加熱させ、系統電源Ｋから交流電圧（ＡＣ）の供給が停止しており、且つ、発電ユニット１１０（燃料電池モジュール１１１）が発電しているときに、発電ユニット１１０（燃料電池モジュール１１１）からＤＣヒータ部１２３ｃに直流電圧（ＤＣ）を供給してＤＣヒータ部１２３ｃを作動させて循環水（貯湯水）を加熱させる。

この場合、ヒータ１２３は、貯湯水供給管１２２ｃの外径よりも大きな内径を有する筒状の基部１２３ａと、基部１２３ａの内周面と貯湯水供給管１２２ｃの外周面との間に配置されたＡＣヒータ部１２３ｂ及びＤＣヒータ部１２３ｃと、系統電源Ｋからの交流電圧（ＡＣ）をＡＣヒータ部１２３ｂに供給する一方で、発電ユニット１１０（燃料電池モジュール１１１）からの直流電圧（ＤＣ）をＤＣヒータ部１２３ｃに供給するハーネス１２３ｄと、を有することができる。

これらによれば、制御装置１５は、発電ユニット１１０（燃料電池モジュール１１１）が停止している場合において、例えば、貯湯水の凍結を防止するために、系統電源Ｋから供給される交流電圧（ＡＣ）を用いてＡＣヒータ部１２３ｂを作動させることができる。一方、制御装置１５は、系統電源Ｋからの交流電圧（ＡＣ）が停止しており、発電ユニット１１０（燃料電池モジュール１１１）のみが作動している自立運転時において、余剰発電電力が生じた場合には直流電圧（ＤＣ）をＤＣヒータ部１２３ｃに供給することにより余剰発電電力を消費することができる。

又、ハーネス１２３ｄを介してＡＣヒータ部１２３ｂ及びＤＣヒータ部１２３ｃのそれぞれに交流電圧（ＡＣ）及び直流電圧（ＤＣ）を直接的に供給することができる。これにより、上述したように、ＡＣヒータ部１２３ｂに交流電圧（ＡＣ）を供給し、又は、ＤＣヒータ部１２３ｃに直流電圧（ＤＣ）を状況に応じて供給するために別途、電気切り替え回路等を設ける必要がない。従って、ヒータ１２３の構成を簡単にすることができ、ひいては、発電システム１０における構成の簡略化とともに低コスト化を達成することができる。

本発明の実施にあたっては、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を逸脱しない限りにおいて種々の変更が可能である。

例えば、上記実施形態においては、発電ユニット１１０として、燃料と酸化剤ガスとにより発電する燃料電池モジュール１１１（燃料電池１３４）を用いるようにした。これに代えて、発電に伴って燃焼排ガスを発生し、燃焼排ガスと貯湯槽１２１から貯湯水供給管１２２ｃを介して供給される貯湯水（循環水）との間で熱交換することが可能なガスエンジンを発電ユニット１１０として用いることも可能である。

又、上記実施形態においては、発電システム１０として、燃料電池システム１１にて発生した熱を熱交換により回収して貯湯水を生成するようにした。これに代えて、又は、加えて、例えば、発電システム１０として、燃料電池システム１１等の発電装置と、別途設けた給湯器等と、を有して構成されたコジェネレーションシステムに用いることも可能である。

又、上記実施形態においては、ヒータ１２３を、それぞれ独立したＡＣヒータ部１２３ｂ及びＤＣヒータ部１２３ｃが筒状の基部１２３ａの内周面に配置して一体化するようにした。これに代えて、それぞれ独立したＡＣヒータ部１２３ｂ及びＤＣヒータ部１２３ｃを別体の基部１２３ａに設けることも可能である。この場合においても、ＡＣヒータ部１２３ｂ及びＤＣヒータ部１２３ｃのそれぞれにＡＣ（交流電圧）及びＤＣ（直流電圧）を直接的に供給することが可能である。従って、ＡＣヒータ部１２３ｂにＡＣ（交流電圧）を供給し、又は、ＤＣヒータ部１２３ｃにＤＣ（直流電圧）を供給するために別途、電気切り替え回路等を設ける必要がなく、構成を簡単にすることができるとともに低コスト化を達成することができる。

又、上記実施形態においては、貯湯水循環ポンプ１２２ａの回転数Ｅに関連する物理量を検出するセンサとして回転数センサ１２２ａ１を用いた。これに代えて、貯湯水循環ポンプ１２２ａの回転数Ｅに関連する物理量として、例えば、貯湯水循環ポンプ１２２ａを構成する電動モータに流れる電流値を検出する電流センサや、電動モータの回転角を検出する回転角センサ等を用いることも可能である。

又、上記実施形態においては、ヒータ１２３のＡＣヒータ部１２３ｂ及びＤＣヒータ部１２３ｃに対して、系統電源Ｋ及び燃料電池モジュール１１１（燃料電池１３４）からパワーコンディショナー１４を介してＡＣ（交流電圧）及びＤＣ（直流電圧）を供給するようにした。これに代えて、パワーコンディショナー１４を介すことなく、ヒータ１２３のＡＣヒータ部１２３ｂ及びＤＣヒータ部１２３ｃに対して、系統電源Ｋ及び燃料電池モジュール１１１（燃料電池１３４）からＡＣ（交流電圧）及びＤＣ（直流電圧）を供給することも可能である。

又、上記実施形態においては、発電ユニット１１０の燃料電池モジュール１１１が発電することを停止している場合において、制御装置１５がパワーコンディショナー１４を制御して系統電源ＫからＡＣ（交流電圧）をＡＣヒータ部１２３ｂに供給し、ＡＣヒータ部１２３ｂが貯湯水（循環水）を加熱するようにした。ここで、上述したように、燃料電池モジュール１１１が発電している場合には、貯湯水循環ポンプ１２２ａが駆動して貯湯水（循環水）を加圧している、即ち、回転数Ｅが基準回転数Ｅｏ以下の状態になっている。従って、燃料電池モジュール１１１が発電している場合においても、制御装置１５パワーコンディショナー１４を制御して系統電源ＫからＡＣ（交流電圧）をＡＣヒータ部１２３ｂに供給し、ＡＣヒータ部１２３ｂが貯湯水（循環水）を加熱することも可能である。

更に、上記実施形態においては、発電ユニット１１０の燃料電池モジュール１１１が発電することを停止している場合において、制御装置１５がパワーコンディショナー１４を制御して系統電源ＫからＡＣ（交流電圧）をＡＣヒータ部１２３ｂに供給し、ＡＣヒータ部１２３ｂが貯湯水（循環水）を加熱するようにした。これに代えて、発電ユニット１１０の燃料電池モジュール１１１が発電することを停止している場合において、制御装置１５が、パワーコンディショナー１４のＡＣ／ＤＣコンバータ１４ｃを制御して系統電源ＫからのＡＣ（交流電圧）をＤＣ（直流電圧）に変換し、変換したＤＣ（直流電圧）をＤＣヒータ部１２３ｃに供給することにより、ＤＣヒータ部１２３ｃが貯湯水（循環水）を加熱することも可能である。

１０…発電システム、１１…燃料電池システム、１２…電源ライン、１２ａ…電力測定装置、１３…電力負荷、１４…パワーコンディショナー、１４ａ…ＤＣ／ＤＣコンバータ、１４ｂ…ＤＣ／ＡＣインバータ、１４ｃ…ＡＣ／ＤＣコンバータ、１４ｄ…制御用ＤＣ／ＤＣコンバータ、１４ｅ…補機用ＤＣ／ＤＣコンバータ、１４ｆ…第一整流素子、１４ｇ…第二整流素子、１４ｈ…第一スイッチ、１４ｉ…第二スイッチ、１４ｊ…電流測定装置、１４ｋ…電流測定装置、１４ｌ…第三スイッチ、１５…制御装置、１６…ブレーカ、１１０…発電ユニット、１１０ａ…筐体、１１０ｂ…吸気口、１１０ｃ…換気用排気口、１１０ｄ…燃焼排ガス用排気口、１１１…燃料電池モジュール、１１１ａ…改質用原料供給管、１１１ａ１…改質用原料ポンプ、１１１ｂ…改質水供給管、１１１ｂ２…改質水ポンプ、１１１ｃ…カソードエア供給管、１１１ｃ１…カソードエアブロワ、１１１ｃ２…電動モータ、１１１ｃ３…流量センサ、１１１ｄ…排気管、１１２…熱交換器、１１２ａ…凝縮水供給管、１１２ｂ…ドレン管路、１１３…水精製器、１１４…改質水タンク、１１４ａ…オーバーフローライン、１１４ｂ…水受け部材、１１４ｃ…排水管、１１４ｄ…水位センサ、１２０…排熱回収システム、１２１…貯湯槽、１２２…貯湯水循環ライン、１２２ａ…貯湯水循環ポンプ（循環水ポンプ）、１２２ａ１…回転数センサ（センサ）、１２２ｂ…ラジエータ、１２２ｃ…貯湯水供給管、１２３…ヒータ、１２３ａ…基部、１２３ｂ…ＡＣヒータ部、１２３ｃ…ＤＣヒータ部、１２３ｄ…ハーネス、１２４…水温センサ、１３１…ケーシング、１３２…蒸発部、１３３…改質部、１３４…燃料電池、１３４ａ…セル、１３４ｂ…燃料流路、１３４ｃ…空気流路、１３５…マニホールド、１３６…燃焼部、１３６ａ１，１３６ａ２…着火ヒータ、１３７…火炎、１３８…改質ガス送出管、１４１…減圧弁、１４２…給水管、１４２ａ…水供給管、１５４…逆止弁、１５５…換気ファン、１６１…湯供給管、１６２…混合弁、１６３…混合湯供給管、１６４…バイパス通路、１６５…電磁開閉弁、１６６…湯温計測装置、１６７…水温計測装置、１６８…給湯栓、Ｄｋ…駆動デューティ、Ｅ…回転数、Ｅｏ…基準回転数、Ｇｓ…供給源、Ｋ…系統電源、Ｌ１…第一電力供給ライン、Ｌ２…第二電力供給ライン、Ｌ３…第三電力供給ライン、Ｌ４…第四電力供給ライン、Ｓ…補機、Ｓｗ…高圧給水源、Ｔ…温度、Ｔｈ…高温側基準温度、Ｔｌ…低温側基準温度、Ｗｈ…給湯器

Claims (5)

1. 燃料と酸化剤ガスとにより発電する発電ユニットと、
   前記発電ユニットが発電することに伴って発生する燃焼排ガスと貯湯槽から貯湯水供給管を介して供給される循環水との間で熱交換する熱交換器と、
   前記循環水を圧送する循環水ポンプと、
   前記循環水ポンプの回転数に関連する物理量を検出するセンサと、
   前記貯湯水供給管に設けられて前記循環水を加熱するヒータと、
   前記発電ユニットの発電、前記循環水ポンプの駆動、及び、前記ヒータの作動を統括して制御する制御装置と、を備えた発電システムであって、
   前記制御装置は、
   前記循環水ポンプを所定の駆動デューティで駆動させた際に前記センサによって検出された前記物理量に基づく前記回転数が予め設定された基準回転数以下である場合に、前記ヒータが前記循環水を加熱することを許可し、
   前記回転数が前記基準回転数よりも大きい場合に、前記ヒータが前記循環水を加熱することを禁止する、ように構成された、発電システム。
2. 前記ヒータは、
   系統電源から交流電圧が供給されて発熱する第一ヒータ部と、
   前記発電ユニットによって発電された直流電圧が供給されて発熱する第二ヒータ部と、を有し、
   前記制御装置は、
   前記発電ユニットが発電することを停止しており、且つ、前記循環水ポンプが作動しているときに、前記回転数が前記基準回転数以下である場合において前記系統電源から前記第一ヒータ部に前記交流電圧を供給して前記第一ヒータ部を作動させて前記循環水を加熱させ、
   前記系統電源から前記交流電圧の供給が停止しており、且つ、前記発電ユニットが発電しているときに、前記発電ユニットから前記第二ヒータ部に前記直流電圧を供給して前記第二ヒータ部を作動させて前記循環水を加熱させる、請求項１に記載の発電システム。
3. 前記ヒータは、
   前記貯湯水供給管の外径よりも大きな内径を有する筒状の基部と、
   前記基部の内周面と前記貯湯水供給管の外周面との間に配置された前記第一ヒータ部及び前記第二ヒータ部と、
   前記系統電源からの前記交流電圧を前記第一ヒータ部に供給する一方で、前記発電ユニットからの前記直流電圧を前記第二ヒータ部に供給するハーネスと、を有する、請求項２に記載の発電システム。
4. 前記発電ユニットと系統電源とに接続され、且つ、前記制御装置によって制御されて、前記発電ユニットからの直流電圧を前記ヒータに供給するとともに、前記系統電源からの交流電圧を前記ヒータに供給するパワーコンディショナーを備える、請求項１乃至請求項３のうちの何れか一項に記載の発電システム。
5. 前記発電ユニットは、
   燃料と酸化剤ガスとにより発電する燃料電池と、供給源から改質用原料供給管を介して供給された改質用原料と改質水を蒸発させた水蒸気とから前記燃料を生成して前記燃料電池に前記燃料を供給する改質部と、を有する燃料電池モジュールと、
   前記改質部に改質水供給管を介して供給する前記改質水を貯水する改質水タンクと、を備える、請求項１乃至請求項４のうちの何れか一項に記載の発電システム。

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