WO2013046727A1 - 給電システムおよび給電システムの制御方法 - Google Patents

Abstract

　給電システム１は、水素および酸素を化学反応させて電力を発生する燃料電池３０と、電力系統からの電力および燃料電池３０からの電力の少なくとも一方を給電対象の負荷１００に給電する解列部５０と、水の電気分解により水素および酸素を生成する水電解部８０と、解列部５０が電力系統から電力を受電しない状態になった場合、または負荷１００において今後需要が見込まれる予測電力量が所定値を超える場合、燃料電池３０が発生する電力を負荷１００に給電するとともに、その余剰電力を用いて水電解部８０に電気分解を行わせ、水電解部８０で発生した水素および酸素の少なくとも一方を燃料電池３０に供給するように制御する制御部９０と、を備える。

Description

給電システムおよび給電システムの制御方法 関連出願の相互参照

　本出願は、２０１１年９月２８日に出願された日本国特許出願２０１１－２１３００９号の優先権を主張するものであり、この先の出願の開示全体を、ここに参照のために取り込む。

　本発明は、給電システムおよび給電システムの制御方法に関するものであり、特に、燃料電池が発電する電力を出力することができる給電システムおよび給電システムの制御方法に関するものである。

　従来、燃料の有しているエネルギーを直接電気エネルギーに変換するものとして、燃料電池が知られている。燃料電池は、電解質層を挟んで燃料極と空気極の一対の多孔質電極を配置するとともに、燃料極に水素を、空気極に酸素を接触させた構造が一般的である。このような構造の燃料電池は、水素と酸素を電気化学的に反応させて、発電を行うようになっている。

　太陽光発電等の自然エネルギーを利用した発電システムにおいては、自然環境によって発電能力が変動する。しかしながら、燃料電池は、燃料および空気が供給されている限りにおいて、安定して電気エネルギーを供給することができる。このため、燃料電池を利用して、停電時など自家発電を行う際に、電力系統（商用電源）との接続を遮断した状態で発電する自立運転の機能に対応するための措置が検討されている（例えば、特許文献１参照）。

　上記特許文献１には、負荷機器の電力負荷に追従する運転（以下、単に「追従運転」という）を容易にする燃料電池システムが提案されている。この燃料電池システムは、原燃料を水素に改質する際に、部分酸化反応等の発熱反応を採用している。これにより、燃料電池本体の排ガスを、燃料改質部の加熱源として使用しないようにしている。この燃料電池システムは、燃料電池本体で、電力需要および熱需要に応じて、燃料改質部への原燃料の供給量および燃料電池本体の燃料利用率を変更することができる。

　また、最近では、停電時に電力系統（商用電源）から受電せずに自立運転が可能な燃料電池を備えた給電システムと、家庭内の負荷機器とを制御するＨＥＭＳ(Home Energy Management System)が研究されている。このようなＨＥＭＳにおいて、家庭内の負荷消費電力よりも大きな余剰電力を予め燃料電池に発電させておき、その余剰分の電力を、家庭内の適切な負荷に消費させる制御を行うものも提案されている。このようなＨＥＭＳによれば、燃料電池の負荷追従性能の低さをある程度改善することができるとともに、余剰電力を適切に消費することで、停電時においてもある程度快適な環境を作り出せることが期待できる。

特開２００９－５１６３９７号公報 特開２００７－１８７８１号公報

　しかしながら、上述したような燃料電池を利用した自立運転においては、不都合な点も想定される。

　例えば、ユーザが負荷機器を新たに燃料電池システムに接続した場合など、燃料電池に対する負荷が増大した場合、燃料電池は、当該燃料電池に供給される燃料ガスおよび空気の量を増加させて、発電量を増加させる。この時、この系の時定数すなわち応答特性の分だけ発電量の増加が遅れるため、燃料電池システムは、瞬時に増大する負荷には追従することができない。すなわち、燃料電池は、一般的に負荷追従性が低い。また、燃料電池内部の温度が低い場合、あるいは負荷が増大するまでの負荷電力が小さかった場合は、燃料電池内での電気化学反応が鈍化して系の時定数が大きくなるため、負荷追従性が低くなる。

　このような場合、電力系統に接続した状態で燃料電池を発電させる連系運転においては、増加する負荷に対して電力系統からの給電で追従することにより、燃料電池からの給電を後追いで追従させることが可能ではある。

　しかしながら、例えば停電時の運転のような、電力系統との接続を遮断した状態で燃料電池を発電させる自立運転においては、燃料電池単体で負荷に追従する必要がある。この場合、燃料電池の負荷追従性が低いと、急に増大する負荷には対応できない。このため、仮に燃料電池が自立運転に対応していたとしても、停電時には、ユーザが負荷機器を使用する際に制限を要したり、いくつかの負荷機器を使用できないということが多分に想定される。

　そこで、燃料電池の負荷追従性を向上させる技術も提案されている（例えば、特許文献２参照）。上記特許文献２に記載の技術は、負荷機器の負荷電力が小さくなった際の余剰電力によって、水を電気分解して、水素および酸素を生成している。そして、上記特許文献２に記載の技術においては、生成した水素および酸素を貯蔵し、負荷が大きくなった際には、貯蔵していた水素および酸素を燃料電池に供給することにより、負荷追従性を高めるものである。

　しかしながら、この特許文献２に記載の技術では、負荷が小さい状態が続く場合には、燃料電池が発電する電力量は少ない状態で安定するが、負荷が急に増大した際は、やはり電気化学反応が鈍化する。このため、特許文献２に記載の技術では、たとえ生成して貯蔵していた水素および酸素を供給したとしても、燃料電池が充分な負荷追従性を得ることはできない。

　したがって、かかる事情に鑑みてなされた本発明の目的は、自立運転において優れた負荷追従性を有しつつ、燃料電池の燃料費を節約することができる給電システムおよび給電システムの制御方法を提供することにある。

　上記目的を達成する第１の観点に係る給電システムの発明は、
　水素および酸素を化学反応させて電力を発生する燃料電池と、
　電力系統からの電力および前記燃料電池からの電力の少なくとも一方を給電対象の負荷に給電する解列部と、
　水の電気分解により水素および酸素を生成する水電解部と、
　前記解列部が電力系統から電力を受電しない状態になった場合、または前記負荷において今後需要が見込まれる予測電力量が所定値を超える場合、前記燃料電池が発生する電力を前記負荷に給電するとともに、その余剰電力を用いて前記水電解部に電気分解を行わせ、前記水電解部で発生した水素および酸素の少なくとも一方を前記燃料電池に供給するように制御する制御部と、
　を備えることを特徴とする。

　また、前記水電解部は、前記燃料電池が水素および酸素を化学反応させることにより発生した水を電気分解するのが好適である。

　また、前記制御部は、前記燃料電池が電力を発生する際に当該燃料電池に供給される水素の量が、前記水電解部における電気分解で発生した水素の量を差し引いた供給量になるように制御するのが好適である。

　また、前記制御部は、前記燃料電池が電力を発生する際に当該燃料電池に供給される酸素の量が、前記水電解部における電気分解で発生した酸素の量を差し引いた供給量になるように制御するのが好適である。

　また、前記負荷への給電に必要な負荷電力を検出する負荷検出部をさらに備え、
　前記制御部は、前記燃料電池が発生する電力のうち前記負荷検出部が検出する前記負荷電力に応じた電力を前記負荷に給電するように制御するのが好適である。

　また、前記制御部は、前記解列部が電力系統から電力を受電可能な場合であって、前記負荷検出部が検出する前記負荷への給電に必要な負荷電力が不足する場合、当該不足する負荷電力が電力系統から給電されるように制御するのが好適である。

　また、前記制御部は、前記負荷において今後需要が見込まれる予測電力量が所定値を超える場合、前記予測電力量が前記所定値を超える期間以前から前記水電解部に電気分解を行わせ、前記水電解部で発生した水素および酸素の少なくとも一方を前記燃料電池に供給するように制御するのが好適である。

　また、電力系統の停電を検出する停電検出部をさらに備え、
　前記制御部は、前記停電検出部が停電を検出した場合、電力系統からの電力を受電しない自立運転に切り替えられるように制御するのが好適である。

　また、前記制御部に対して指示を入力可能な管理部をさらに備え、
　前記制御部は、前記管理部による制御に基づいて、前記解列部が電力系統からの電力を受電しない状態に切り替えられるように制御するのが好適である。

　また、上記目的を達成する第２の観点に係る給電システム制御方法の発明は、
　水素および酸素を化学反応させて電力を発生する電力発生ステップと、
　電力系統からの電力および前記燃料電池からの電力の少なくとも一方を給電対象の負荷に給電する受電切替ステップと、
　水の電気分解により水素および酸素を生成する水電解ステップと、
　前記受電切替ステップにおいて電力系統から電力を受電しない状態になった場合、または前記負荷において今後需要が見込まれる予測電力量が所定値を超える場合、前記電力発生ステップにおいて発生した電力を前記負荷に給電するとともに、その余剰電力を用いて前記水電解ステップにおいて電気分解を行い、当該水電解ステップにて発生した水素および酸素の少なくとも一方を前記電力発生ステップのために供給するように制御する制御ステップと、
　を含むものである。

　本発明によれば、自立運転において優れた負荷追従性を有しつつ、燃料電池の燃料費を節約することができる給電システムおよび給電システムの制御方法を提供することができる。

本発明の一実施形態に係る給電システムの概略構成の例を示す図である。 本発明の一実施形態に係る給電システムの連系運転時の処理を説明するフローチャートである。 本発明の一実施形態に係る給電システムの自立運転時の処理を説明するフローチャートである。 本発明の一実施形態に係る給電システムにおける負荷電力と水電解部の受電電力との関係の一例を示すグラフである。 本発明の他の実施形態に係る給電システムの概略構成の例を示す図である。

　以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。

　図１は、本発明の一実施形態に係る給電システムの概略構成の例を示す図である。

　図１に示すように、本実施形態に係る給電システム１は、燃料供給部１０、改質部２０、燃料電池３０、インバータ部４０、解列部５０、停電検出部６０、負荷検出部７０、水電解部８０、制御部９０を含んで構成される。図１において、各機能部の間で制御信号のやりとりを示す制御ラインは破線で表し、各機能部の間で酸素および水素などの燃料関係の物質の流れを示す燃料ラインは実線で表し、各機能部の間で電力の流れを示す電力ラインは太い実線で表してある。

　燃料供給部１０は、燃料ガス、空気、および水の各物質を改質部２０に供給する手段を備えている。この手段は、具体的には、燃料ガス、空気、および水を、それぞれ改質部２０へ送るためのポンプおよび配管などとすることができる。また、燃料供給部１０は、上記各物質それぞれの供給量を検出して、当該検出結果を制御部９０に通知する手段を備えている。この手段は、具体的には、燃料ガス、空気、および水の供給量を検出して、その供給量をそれぞれ制御部９０に通知する流量計などとすることができる。

　改質部２０は、燃料供給部１０から供給された燃料ガスおよび水から、化学反応によって水素を生成するとともに、生成した水素を燃料電池３０に供給する。また、改質部２０は、燃料供給部１０から供給された空気を燃料電池３０に供給する。給電システム１が自立運転している時は、改質部２０は、水電解部８０で生成した水素と自ら生成した水素とを合流させて燃料電池３０に供給し、水電解部８０で生成した酸素と燃料供給部１０から供給された空気とを合流させて燃料電池３０に供給する。

　燃料電池３０は、改質部２０から供給された水素および空気を電気化学反応させることにより発電を行い、発電した電力をインバータ部４０に送出する。本実施の形態において、燃料電池３０は、電力系統からの電力を受けずに稼動する、すなわち自立運転することが可能であるものとする。本実施の形態において、燃料電池３０が自立運転することができるように、改質部２０など他の機能部も協働することができるものとする。

　インバータ部４０は、燃料電池３０が発電した電力を、電力系統との接続が可能な状態または負荷機器１００での使用が可能な状態に調整してから、解列部５０に送る。具体的には、燃料電池３０が発電した電力は直流であるため、給電システム１が電力系統からの電力を受けて運転される時（すなわち連系運転時）、インバータ部４０は、発電した直流電力を、電力系統と同じ位相および同じ電圧の交流電力に変換する。また、給電システム１が電力系統からの電力を受けずに運転される時（すなわち自立運転時）、インバータ部４０は、燃料電池３０が発電した直流発電電力を、負荷機器１００が使用可能な位相および電圧の交流電力に変換する。さらに、給電システム１の自立運転時であって、負荷機器１００が直流給電機器の場合、インバータ部４０は、燃料電池３０が発電した直流電力の電圧を、負荷機器１００で必要な電圧に変換する。

　解列部５０は、インバータ部４０から供給される電力および系統（電力会社が提供する商用電源）から供給される電力と、負荷機器との接続／遮断の切り替えを行う。すなわち、解列部５０は、電力系統（商用電源）からの電力および燃料電池３０からの電力の少なくとも一方を給電対象の負荷（負荷機器１００）に給電する。具体的には、連系運転をしている時には、解列部５０は、インバータ部４０から供給される電力および系統から供給される電力を、負荷機器１００に接続する。停電検出部６０が電力系統の停電を検出した場合、解列部５０は、系統から供給される電力と、インバータ部４０から供給される電力との接続を遮断する。また、給電システム１に何らかの異常が発生した場合、解列部５０は、インバータ部４０から供給される電力および系統から供給される電力と、負荷機器１００との接続を遮断する。

　停電検出部６０は、電力系統が停電しているか否かを監視し、当該監視の結果を制御部９０に通知する。すなわち、停電検出部６０は、電力系統の停電を検出する。

　負荷検出部７０は、負荷機器１００が消費する電力（負荷電力）を監視し、当該監視の結果を制御部９０に通知する。すなわち、負荷検出部７０は、負荷機器１００の負荷電力を検出する。

　水電解部８０は、インバータ部４０から送出される電力から負荷電力を差し引いた電力（余剰電力）を利用して水を電気分解して、水素および酸素を生成する。また、水電解部８０は、生成した水素および酸素を改質部２０に供給する。さらに、水電解部８０は、負荷機器１００の電力消費の状態に依存する余剰電力の変化に対応して、この余剰電力と水電解部８０が受電する電力とが等しくなるように調整する。本実施形態において、停電時であって給電システム１が自立運転中にのみ、水電解部８０を動作させるようにする。

　制御部９０は、燃料供給部１０から通知される燃料ガス、空気、および水の供給量、ならびに停電検出部６０から通知される停電の監視結果、ならびに負荷検出部７０から通知される負荷電力の監視結果などに基づいて、上記各機能部の動作を制御する。すなわち、上述した各機能部は、制御部９０の制御に基づいて動作する。さらに、制御部９０は、各種情報を記憶することができる記憶部（メモリ）を備えている。

　負荷機器１００は、燃料電池３０が発電した電力、あるいは電力系統からの電力が給電される、例えば冷蔵庫、テレビ、空調機器および照明器具などのユーザが使用する機器の総称である。したがって、ここでは、負荷機器１００は、給電システム１には含まれないものとして扱う。さらに、図１において、負荷機器１００は、１つだけのブロックとして記載しているが、複数のユーザ使用機器を負荷機器１００としてもよい。本明細書において、負荷機器は、適宜「負荷」と略記する。

　本実施形態において、図１に示した各機能部のうち、燃料供給部１０、改質部２０、インバータ部４０、解列部５０、停電検出部６０、負荷検出部７０、および制御部９０は、電力系統からの電力または燃料電池３０が発電した電力により動作する。また、本実施形態において、図１に示した各機能部のうち、水電解部８０は、燃料電池３０が発電した電力により動作する。

　次に、本実施形態に係る給電システム１が連系運転を行う際の処理を説明する。

　図２は、本実施形態に係る給電システム１が連系運転を行う際の処理を説明するフローチャートである。以下、給電システム１が、電力系統からの電力を受けて運転される時の処理を説明する。

　図２に示す給電システム１が連系運転を行う際の処理は、メンテナンス作業者等外部から、給電システム１を起動する指示を受けた時点で開始する。外部からの起動の指示を受けると、制御部９０は、燃料供給部１０、改質部２０、およびインバータ部４０の各機能部に対して起動の設定を行う（ステップＳ１１）。

　具体的には、ステップＳ１１において、制御部９０は、燃料供給部１０が燃料電池３０の起動に必要な量の燃料ガス、空気、および水を、改質部２０に供給するように制御する。また、制御部９０は、改質部２０が燃料供給部１０から供給される燃料ガスおよび水から燃料電池３０の起動に必要な量の水素を生成するように制御する。さらに、制御部９０は、改質部２０によって生成された水素および燃料供給部１０から供給される空気を、燃料電池３０に供給するように制御する。また、制御部９０は、インバータ部４０が燃料電池３０の直流の発電電力を交流に変換するように制御する。さらに、制御部９０は、電力系統と接続した状態で電力を負荷機器１００に供給するために位相および電圧の調整を行うようにインバータ部４０を制御する。ステップＳ１１において、各機能部は、電力系統から給電される電力によって動作する。燃料電池３０の発電電力が十分な値になったら、すなわち給電システム１が電力系統に接続する準備が整ったら、制御部９０は、ステップＳ１２の処理に移行する。

　ステップＳ１２において、制御部９０は、各機能部への給電元を電力系統から燃料電池３０の発電電力に切り替える。また、制御部９０は、解列部５０が系統からの電力にインバータ部４０から供給される電力を加えて、負荷機器１００に供給される電力とするように制御する。

　ステップＳ１２において電力系統に接続されたら、制御部９０は、負荷機器１００が消費する電力（負荷電力）の通知を負荷検出部７０から受けることにより、負荷電力を検出するように制御する（ステップＳ１３）。ステップＳ１３において、制御部９０は、通知された負荷電力を、内蔵された記憶部に記憶する。

　ステップＳ１３において負荷電力を検出したら、制御部９０は、検出された負荷電力および前回の負荷電力の検出結果に基づいて、負荷電力が変動したか否かを判断する（ステップＳ１４）。負荷電力が変動していない場合は、ステップＳ１３に戻り、制御部９０は、発電電力の出力および負荷電力の監視を継続する。ステップＳ１４において負荷電力が変動している場合、制御部９０は、ステップＳ１５の処理に移行する。

　ステップＳ１４において負荷電力の変動が検出されたら、制御部９０は、給電システム１が電力系統からの給電によって負荷電力の変化に過渡的に応答するように、すなわち負荷追従運転を行うように制御する（ステップＳ１５）。具体的には、負荷電力が増加した場合、制御部９０は、過渡的な応答として電力系統からの給電量が増加するように制御する。一方、負荷電力が減少した場合、制御部９０は、過渡的な応答として電力系統からの給電量が減少するように制御する。

　ステップＳ１５の次に、制御部９０は、負荷電力が変動する量に応じて改質部２０に供給する燃料ガス、空気、および水の量を算出し、算出された量の燃料ガス、空気、および水を燃料供給部１０が改質部２０に供給するように制御する（ステップＳ１６）。ここで、負荷電力が増加した場合、制御部９０は、燃料ガス、空気、および水の量をそれまでの量よりも増加させる。一方、負荷電力が減少した場合、制御部９０は、燃料ガス、空気、および水の量をそれまでの量よりも減少させる。このようにして、本実施形態においては、電力系統からの給電によって負荷電力の変化に対して後追いで過渡的に応答させることにより、燃料電池３０の発電電力を負荷変化に追従させる。

　上述した負荷追従運転において、制御部９０は、燃料ガス、空気、および水を増加または減少させる量を、予め決められた条件式から算出する。この予め決められた条件式は、制御部９０が備える記憶部に記憶しておくことができる。また、制御部９０が備える記憶部に、予め決められた条件式に従って対応関係を規定したテーブルを記憶しておき、制御部９０は、このテーブルを参照することにより、上記の量を算出してもよい。ここで、上述した条件式は、燃料電池の発電、燃料ガスおよび水からの水素の生成、空気からの酸素の供給について、それぞれ決められた化学反応および燃料ガスまたは空気の組成に基づいて、予め規定されたものを用いる。また、制御部９０は、燃料供給部１０から改質部２０に実際に供給されている燃料ガス、空気、および水の量の通知を受けて、これらの物質が供給されるように制御した量と比較することにより、燃料供給部１０が供給量を必要に応じて調整するように制御する。

　本実施形態において、制御部９０は、メンテナンス作業者等外部から、給電システム１を停止する指示を受け付けるまで、ステップＳ１３～ステップＳ１６の制御を繰り返し実行する（ステップＳ１７）。ステップＳ１７において外部から給電システム１を停止する指示を受け付けたら、制御部９０は、ステップＳ１８の処理に移行する。

　ステップＳ１７において外部から停止指示を受け付けると、制御部９０は、燃料供給部１０、改質部２０、インバータ部４０、および解列部５０に対して、動作を停止するための設定を行い、給電システム１を停止するように制御する（ステップＳ１８）。具体的には、制御部９０は、燃料供給部１０が改質部２０に供給する燃料ガス、空気、および水の量を徐々に減らし、最終的に供給を停止するように制御する。また、制御部９０は、燃料供給部１０から供給される燃料ガス、空気、および水の供給が停止されるのに応じて、改質部２０が水素を発生させるとともに燃料電池３０に水素および空気を供給するのを停止するように制御する。さらに、制御部９０は、インバータ部４０の動作を停止するように制御する。また、制御部９０は、解列部５０がインバータ部４０から負荷機器１００に供給されている電力の接続を遮断するように制御する。

　次に、本実施形態に係る給電システム１が自立運転を行う際の処理を説明する。

　図３は、本実施形態に係る給電システム１が自立運転を行う際の処理を説明するフローチャートである。以下、給電システム１が、電力系統からの電力を受けずに運転される時の処理を説明する。このように、給電システム１が電力系統からの電力を受けずに運転される場合とは、例えば、電力系統が停電した場合、あるいは制御部９０または後述する外部制御部などの制御により電力系統から電力を給電しないように制御する場合などが想定される。

　図３に示すフローチャートは、給電システム１が停電を検出して自立運転に移行した際の処理の流れを説明している。図３において、給電システム１が自立運転を開始するまでは、図２において説明した連系運転を行っているものとする。

　図３に示す処理が開始すると、制御部９０は、停電検出部６０が電力系統の停電を検出したか否かを判定する（ステップＳ２１）。このため、制御部９０は、停電検出部６０が、給電システム１の動作中、電力系統の停電の有無を監視するように制御する。ステップＳ２１において停電検出部６０が電力系統の停電発生を検出しない場合、制御部９０は、給電システム１が連系運転を継続するとともに、停電検出部６０が電力系統の停電監視を継続するように制御する。一方、ステップＳ２１において停電検出部６０が電力系統の停電発生を検出した場合、制御部９０は、ステップＳ２２の処理に移行する。

　ステップＳ２１において停電検出部６０が停電の発生を検出すると、制御部９０は、解列部５０が、系統から供給される電力とインバータ部４０から供給される電力との接続を遮断するように制御する（ステップＳ２２）。

　ステップＳ２２において電力系統から解列されたら、制御部９０は、燃料供給部１０、改質部２０、インバータ部４０、水電解部８０の各機能部に対して、自立運転を実行するための設定を行う（ステップＳ２３）。具体的には、ステップＳ２３において、制御部９０は、燃料供給部１０が燃料電池３０の発電電力を最大値とするための量の燃料ガス、空気、および水を、改質部２０に供給できるように制御する。また、制御部９０は、改質部２０が自ら生成した水素および燃料供給部１０から供給される空気に、水電解部８０から供給される水素および酸素を合流させて、それぞれ燃料電池３０に供給するように制御する。さらに、制御部９０は、インバータ部４０が燃料電池３０から最大の発電電力を供給されるようにして、供給された電力を負荷機器１００が使用できる状態に調整するように制御する。また、制御部９０は、水電解部８０が余剰電力を受電して水を電気分解することができるように制御する。

　ステップＳ２３において自立運転の設定が完了したら、制御部９０は、負荷機器１００が消費する電力（負荷電力）の情報を負荷検出部７０から取得することにより、負荷電力を検出するように制御する（ステップＳ２４）。

　ステップＳ２４において負荷電力を検出したら、制御部９０は、水電解部８０が受電する電力量を調整するように制御する（ステップＳ２５）。具体的には、ステップＳ２５において、制御部９０は、インバータ部４０が出力する電力からステップＳ２４で検出した負荷電力を差し引いた電力（余剰電力）を算出し、この余剰電力を水電解部８０が受電するように制御する。このような制御により、水電解部８０が受電する電力の量は調整される。

　図４は、負荷電力と水電解部８０の受電電力の変化の一例を示す図である。ステップＳ２３で自立運転の設定が完了した後、制御部９０は、インバータ部４０が燃料電池３０の最大発電電力に対応した最大出力電力（Pout_max）を常時出力するように制御する。この最大出力電力（Pout_max）から負荷電力（Pload）を差し引いた電力が、水電解部８０の受電する電力（Pelec）となる。負荷電力（Pload）は負荷機器１００の負荷の状態により変動するため、水電解部８０の受電電力も変動する。図４において、水電解部８０の受電する電力（Pelec）を斜線部によって示してある。

　例えば、図４において、時刻ｔ＝１の時はPelec＝Pout_max－Pload1となり、時刻ｔ＝２の時はPelec＝Pout_max－Pload2となり、時刻ｔ＝３の時はPelec＝Pout_max－Pload3すなわち０となり、時刻ｔ＝４の時はPelec＝Pout_max－Pload4となる。制御部９０は、ステップＳ２４で検出した負荷電力に基づいて、燃料電池３０が発電する電力は変化させずに、水電解部８０が受電する電力を変化させるように制御する。このように、本実施形態においては、負荷機器１００に給電する電力量を、負荷追従性の低い燃料電池３０とは別の部位にて制御する。このため、本実施形態に係る給電システム１は、負荷が増減することに対する応答速度を速めることができる。

　ステップＳ２５において水電解部８０が受電する電力量の調整が完了したら、制御部９０は、燃料供給部１０が改質部２０に供給する燃料ガス、空気、および水の量を調整するように制御する（ステップＳ２６）。

　ステップＳ２６は、具体的には、例えば以下のサブステップ１～５に従って行うことができる。
　サブステップ１：制御部９０は、ステップＳ２５で調整された水電解部８０の受電量から、水電解部８０で生成される水素および酸素の量を算出する。
　サブステップ２：制御部９０は、燃料電池３０が最大発電電力で発電するために必要な水素および酸素の量から、サブステップ１で算出した水電解部８０が生成される水素および酸素の量を差し引いた、水素および酸素の量を算出する。
　サブステップ３：制御部９０は、サブステップ２で算出した量の水素および酸素を燃料電池３０に供給するために、改質部２０に供給することが必要な燃料ガス、空気、および水の量を算出する。
　サブステップ４：制御部９０は、サブステップ３で算出した量の燃料ガス、空気、および水を、燃料供給部１０が改質部２０に供給するように制御する。
　サブステップ５：制御部９０は、燃料供給部１０から改質部２０に実際に供給されている燃料ガス、空気、および水の量の通知を受けて、これらの物質がサブステップ４で供給されるように制御した量と比較する。制御部９０は、前記比較に基づいて、燃料供給部１０がサブステップ４で供給されるように制御した量の燃料ガス、空気、および水の供給量を必要に応じて調整するように制御する。

　サブステップ１～３において、制御部９０は、燃料ガス、空気、および水を増加または減少させる量を、予め決められた条件式から算出する。ここで、上述した条件式は、水の電気分解、燃料電池の発電、燃料ガスおよび水からの水素の生成、空気からの酸素の供給について、それぞれ決められた化学反応および燃料ガスまたは空気の組成に基づいて、予め規定されたものを用いる。本実施形態においては、上述したステップＳ２６の制御により、余剰電力から燃料となる水素および酸素を生成し、これらを燃料電池の発電に利用する。したがって、本実施形態においては、発電に必要な燃料ガスの供給量を低減することができるため、ユーザが負担しなければならない燃料ガスのコストを低減することができる。

　本実施形態において、制御部９０は、停電検出部６０が停電の解消を検出するまで、ステップＳ２４～ステップＳ２６の制御を繰り返し実行する（ステップＳ２７）。ステップＳ２７において停電検出部６０が停電の解消を検出したら、制御部９０は、ステップＳ２８の処理に移行する。ステップＳ２４～ステップＳ２６の途中で停電の解消が検出された場合は、制御部９０は、ステップＳ２６までの処理が完了してから、ステップＳ２８へ移行する。

　ステップＳ２７において停電の解消が検出されたら、制御部９０は、燃料供給部１０、改質部２０、インバータ部４０、解列部５０、および水電解部８０が連系運転を行うための設定を行う（ステップＳ２８）。具体的には、ステップＳ２８において、制御部９０は、燃料供給部１０が負荷検出部７０により検出された負荷電力に対応する電力を発電するための燃料ガス、空気、および水を改質部２０へ送るように制御する。また、制御部９０は、水電解部８０から供給される水素および酸素を、改質部２０が生成した水素および燃料供給部１０から供給される空気にそれぞれ合流させないように改質部２０を制御する。そして、制御部９０は、改質部２０が生成した水素および燃料供給部１０から供給される空気のみをそれぞれ燃料電池３０に供給するように制御する。さらに、制御部９０は、負荷検出部７０により検出された負荷電力に対応する電力であって電力系統の位相と同期をとった電力を、インバータ部４０が出力するように制御する。また、制御部９０は、解列部５０が系統から供給される電力とインバータ部４０が出力する電力とを接続するように制御する。ここでは、制御部９０は、水電解部８０が余剰電力の受電も行わず、水の電気分解も行わないように制御する。

　上述したように、本実施形態において、制御部９０は、解列部５０が電力系統から電力を受電しない状態になった場合、燃料電池３０が発生する電力を負荷機器１００に給電するように制御する。この制御とともに、制御部９０は、その余剰電力を用いて水電解部８０に電気分解を行わせ、水電解部８０で発生した水素および酸素の少なくとも一方を燃料電池３０に供給するように制御する。この場合、水電解部８０は、燃料電池３０が水素および酸素を化学反応させることにより発生した水を電気分解するようにするのが好適である。

　また、本実施形態において、制御部９０は、燃料電池３０が発生する電力のうち負荷検出部７０が検出する負荷機器１００への給電に必要な負荷電力に応じた電力を、負荷機器１００に給電するように制御するのが好適である。

　さらに、本実施の形態において、負荷機器１００の負荷電力が時間によって変動する際の当該変動を予想するテーブルを、予め制御部９０等に備えておくようにしてもよい。このようにして、負荷機器１００の負荷電力の予測に基づいて、本発明による水の電気分解の処理を行うような構成とすることもできる。例えば、負荷が大きくなることが予測される時間帯においては、系統からの電力を買電することができる状態であったとしても、その時間帯の少し前から、予め負荷機器１００で必要とされる以上の発電電力で燃料電池３０を動作させることができる。こうすることにより、予想通りに負荷機器１００の負荷電力が増大した際に、燃料電池３０の負荷追従性の低さに起因して、系統から受電する電力の量を少なくすることができる。

　すなわち、本実施形態において、制御部９０は、負荷機器１００において今後需要が見込まれる予測電力量が所定値を超える場合に、燃料電池３０が発生する電力を負荷機器１００に給電するように制御するようにもできる。この制御とともに、制御部９０は、その余剰電力を用いて水電解部８０に電気分解を行わせ、水電解部８０で発生した水素および酸素の少なくとも一方を燃料電池３０に供給するように制御する。さらに、この場合、制御部９０は、予測電力量が所定値を超える期間以前から水電解部８０に電気分解を行わせ、水電解部８０で発生した水素および酸素の少なくとも一方を燃料電池３０に供給するように制御してもよい。

　ここで、予測電力量の「所定値」とは、例えば燃料電池３０が発電する最大の電力量を考慮して、負荷機器１００への給電に必要な負荷電力が比較的大きくなる際の電力量として予め設定することができる。また、「予測電力量が所定値を超える期間」は、例えば負荷電力の履歴を制御部９０に内蔵された記憶部に記憶しておいて、当該負荷電力の履歴を参照することにより、制御部９０が算出するようにできる。

　さらに、制御部９０は、解列部５０が電力系統から電力を受電可能な場合であって、負荷検出部６０が検出する負荷機器１００への給電に必要な負荷電力が不足する場合、その不足する負荷電力が電力系統から給電されるように制御するのが好適である。

　また、本実施形態において、制御部９０は、停電検出部５０が停電を検出した場合、電力系統からの電力を受電しない自立運転に切り替えられるように制御するのが好適である。

　さらに、本実施形態において、制御部５０は、燃料電池３０が電力を発生する際に燃料電池３０に供給される水素および酸素の量が、水電解部８０における電気分解で発生した水素および酸素に応じた供給量になるように制御するのが好適である。

　さらに、本実施形態において、制御部５０は、燃料電池３０が電力を発生する際に当該燃料電池に供給される水素の量が、水電解部８０における電気分解で発生した水素の量を差し引いた供給量になるように制御するのが好適である。また、制御部５０は、燃料電池３０が電力を発生する際に当該燃料電池に供給される酸素の量が、水電解部８０における電気分解で発生した酸素の量を差し引いた供給量になるように制御するのが好適である。

　上述した本実施形態においては、負荷機器１００において今後需要が見込まれる予測電力量に基づく制御は、制御部９０を主体として行うものとして説明した。しかしながら、このような制御は、図５に示すように、電力系統と解列部５０との間に配される管理部２００に担わせてもよい。この管理部２００は、例えば、ＨＥＭＳ(Home Energy Management System)のような管理装置とすることができる。この場合、負荷機器１００の負荷電力の変動を予想するテーブルも、管理部２００に備えておくことができる。管理部２００は、予測電力量が所定値を超える期間の少し前になると、水電気分解の処理を利用して燃料電池３０を最大の発電電力で稼動させるモードに移行するように制御部９０に指示を出すのが好適である。すなわち、本発明による給電システムは、制御部９０に対して指示を入力可能な管理部２００をさらに備え、制御部９０は、管理部２００による制御に基づいて、解列部５０が電力系統からの電力を受電しない状態に切り替えられるように制御するようにもできる。その他、上述した制御部９０による制御を、部分的に管理部２００に担わせることもできる。

　このように、本実施形態に係る給電システム１によれば、燃料電池３０が出力する電力は常時最大発電電力、つまり電気化学反応が最も盛んな状態で常に一定となる。また、本実施形態に係る給電システム１によれば、負荷機器１００に給電する電力量および余剰電力の処理は、負荷追従性の低い燃料電池３０とは別の部位で制御される。このため、本実施形態に係る給電システム１によれば、負荷が増減することに対する応答速度を速めることができる。したがって、本実施形態に係る給電システム１によれば、自立運転中にユーザが負荷機器１００の使用を制限する必要がなくなるため、ユーザの利便性が向上する。

　また、本実施形態に係る給電システム１は、余剰電力を利用して燃料となる水素および酸素を生成し、これらを燃料電池の発電にそのまま利用して、不足分は外部から燃料ガスを供給する。この時、水の電気分解で生成される水素および酸素は、燃料電池に供給されて発電に利用されるだけでなく、排ガス中のＣＯの分解に利用することもできる。

　さらに、本実施形態に係る給電システム１は、給電システム１の発電に必要な水素量から水電解部８０で生成される水素量を差し引いて燃料ガスの供給が必要な量を算出し、この量だけの燃料ガスを燃料電池３０に供給するように調整する。また、本実施形態に係る給電システム１は、給電システム１の発電に必要な酸素量から水電解部８０で生成される酸素量を差し引いて空気の供給が必要な量を算出し、この量だけの空気を改質部２０に供給するように調整する。したがって、本実施形態に係る給電システム１によれば、発電に必要な燃料ガスの供給量を低減することができるため、ユーザが負担しなければならない燃料ガスのコストを低減することができる。

　本発明を諸図面および実施例に基づき説明してきたが、当業者であれば本開示に基づき種々の変形または修正を行うことが容易であることに注意されたい。従って、これらの変形または修正は本発明の範囲に含まれることに留意されたい。例えば、各機能部、各手段、各ステップなどに含まれる機能などは論理的に矛盾しないように再配置可能であり、複数の手段またはステップなどを１つに組み合わせたり、或いは分割したりすることが可能である。

　例えば、図１に示した構成においては、改質部２０と燃料電池３０とを別個の機能部として説明したが、これら２つの機能部を１つのモジュールとした構成にしてもよい。また、図１に示した構成においては、インバータ部４０と停電検出部６０とを別個の機能部として説明したが、これら２つの機能部を１つのブロックとした構成にしてもよい。さらに、インバータ部４０に、停電検出部６０のみならず解列部５０をも含めて、１つのインバータブロックとする構成としてもよい。

　図１に示した構成においては、水電解部８０が受電電力の調整を行うものとして説明したが、インバータ部４０から出力した電力の分配を行う機能部を別に設け、この機能部が水電解部８０に分配する電力を調整するような構成としてもよい。また、図１に示した構成においては、給電システム１が停電検出部６０を備えるものとして説明したが、上述した管理部２００を備える構成（図５）においては、この停電検出部６０が有する機能を管理部２００に担わせることもできる。さらに、このような管理部２００の機能を、他の機能部に担わせる構成にしてもよい。

　また、上述した実施形態においては、給電システム１が自立運転時に正常動作している場合について記載したが、給電システム１に異常が発生した場合は非常処理を行うようにしてもよい。具体的には、制御部９０が各機能部の状態を監視することにより、いずれかの機能部に異常が検出された場合、制御部９０は、当該機能部および／または関連する機能部の動作を停止して、例えば管理部２００を介してユーザに異常発生を報知するよう制御することができる。

　また、上述した実施形態では、ステップＳ１６およびステップＳ２６において、予め規定された条件式をもとに水素および酸素の量、ならびに燃料ガス、空気、および水の量を算出した。しかしながら、制御部９０が燃料電池３０の発電電力および／または水電解部８０が水素および酸素を生成する量等の各機能部の状態を監視することにより、その監視結果に基づいて、前記条件式を補正するようにしてもよい。さらに、前記条件式は、メンテナンス作業者などが後から変更できるようにしてもよい。

　また、上述した実施形態においては、ステップＳ２２においてインバータ部４０と負荷機器１００との接続を遮断しない場合について説明した。しかしながら、ステップＳ２２において上記の接続を遮断して、ステップＳ２３において自立運転の設定が完了した後に、再度インバータ部４０と負荷機器１００とを接続するようにしてもよい。

　また、上述した実施形態においては、給電システム１自身が停電の有無の監視、および自立運転と連系運転との間を移行する判断を行う場合について説明した。しかしながら、例えば、上述したエネルギー管理システムのような外部制御部（例えば、管理部２００（図５参照））を設けるようにしてもよい。この場合、給電システム１よりも上位の外部制御部がこれらの制御を行い、外部制御部からの指示に基づいて、給電システム１が自立運転と連系運転と間を移行するように制御してもよい。

　１，２　給電システム
　１０　燃料供給部
　２０　改質部
　３０　燃料電池
　４０　インバータ部
　５０　解列部
　６０　停電検出部
　７０　負荷検出部
　８０　水電解部
　９０　制御部
　１００　負荷機器
　２００　管理部

Claims (10)

1. 　水素および酸素を化学反応させて電力を発生する燃料電池と、
   　電力系統からの電力および前記燃料電池からの電力の少なくとも一方を給電対象の負荷に給電する解列部と、
   　水の電気分解により水素および酸素を生成する水電解部と、
   　前記解列部が電力系統から電力を受電しない状態になった場合、または前記負荷において今後需要が見込まれる予測電力量が所定値を超える場合、前記燃料電池が発生する電力を前記負荷に給電するとともに、その余剰電力を用いて前記水電解部に電気分解を行わせ、前記水電解部で発生した水素および酸素の少なくとも一方を前記燃料電池に供給するように制御する制御部と、
   　を備える給電システム。
2. 　前記水電解部は、前記燃料電池が水素および酸素を化学反応させることにより発生した水を電気分解する、請求項１に記載の給電システム。
3. 　前記制御部は、前記燃料電池が電力を発生する際に当該燃料電池に供給される水素の量が、前記水電解部における電気分解で発生した水素の量を差し引いた供給量になるように制御する、請求項１に記載の給電システム。
4. 　前記制御部は、前記燃料電池が電力を発生する際に当該燃料電池に供給される酸素の量が、前記水電解部における電気分解で発生した酸素の量を差し引いた供給量になるように制御する、請求項１に記載の給電システム。
5. 　前記負荷への給電に必要な負荷電力を検出する負荷検出部をさらに備え、
   　前記制御部は、前記燃料電池が発生する電力のうち前記負荷検出部が検出する前記負荷電力に応じた電力を前記負荷に給電するように制御する、請求項１に記載の給電システム。
6. 　前記制御部は、前記解列部が電力系統から電力を受電可能な場合であって、前記負荷検出部が検出する前記負荷への給電に必要な負荷電力が不足する場合、当該不足する負荷電力が電力系統から給電されるように制御する、請求項５に記載の給電システム。
7. 　前記制御部は、前記負荷において今後需要が見込まれる予測電力量が所定値を超える場合、前記予測電力量が前記所定値を超える期間以前から前記水電解部に電気分解を行わせ、前記水電解部で発生した水素および酸素の少なくとも一方を前記燃料電池に供給するように制御する、請求項１に記載の給電システム。
8. 　電力系統の停電を検出する停電検出部をさらに備え、
   　前記制御部は、前記停電検出部が停電を検出した場合、電力系統からの電力を受電しない自立運転に切り替えられるように制御する、請求項１に記載の給電システム。
9. 　前記制御部に対して指示を入力可能な管理部をさらに備え、
   　前記制御部は、前記管理部による制御に基づいて、前記解列部が電力系統からの電力を受電しない状態に切り替えられるように制御する、請求項１に記載の給電システム。
10. 　水素および酸素を化学反応させて電力を発生する電力発生ステップと、
    　電力系統からの電力および前記燃料電池からの電力の少なくとも一方を給電対象の負荷に給電する受電切替ステップと、
    　水の電気分解により水素および酸素を生成する水電解ステップと、
    　前記受電切替ステップにおいて電力系統から電力を受電しない状態になった場合、または前記負荷において今後需要が見込まれる予測電力量が所定値を超える場合、前記電力発生ステップにおいて発生した電力を前記負荷に給電するとともに、その余剰電力を用いて前記水電解ステップにおいて電気分解を行い、当該水電解ステップにて発生した水素および酸素の少なくとも一方を前記電力発生ステップのために供給するように制御する制御ステップと、
    　を含む、給電システムの制御方法。
     

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