JP5753800B2 - 燃料電池発電システムおよびその運転方法 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、燃料電池発電システムおよびその運転方法に関する。

従来から、燃料の有している化学エネルギーを直接電気に変換するシステムとして燃料電池システムが知られている。この燃料電池システムは、燃料である水素と、酸化剤である酸素とを電気化学的に反応させて直接電気を取り出すものであり、高い効率で電気エネルギーを取り出すことができると同時に、静かで有害な排ガスを出さないという、環境性に優れた特徴を有するシステムである。これまでは比較的大型のＰＡＦＣ（りん酸形）が主に開発されてきたが、最近では小型のＰＥＦＣ（固体高分子形燃料電池）の開発が活発化し、家庭用燃料電池発電システムの商品化も実現している。

特開２００２−３４１６２号公報 特開２０１０−１０８８０７号公報

一般に、家庭の平均電力負荷は０．５ｋＷ程度で、最大電力負荷は５ｋＷ程度であるため、定格５ｋＷの家庭用燃料電池システムを設置することにより、１００％電力供給が可能であるが、通常時は定格出力の１／１０以下で発電する必要があり、低効率での運用となり、技術的にもその実現は難しい。また、多大な製造コストがかかるため、価格も高くなり、商品性が低下する。そのため、現在市場に出ている家庭用燃料電池システムは、定格０．７−１．０ｋＷであり、通常は系統連系して不足電力を系統から補いながら、家庭へ電力を供給する形態を採っている。

系統停電時には、同時に燃料電池システムも停止させるのが一般的である。技術的には、大型のインバータと蓄電池を併用することにより、系統停電時にも発電を継続し、家庭内電力負荷全てに電力を供給することも可能であるが、大幅なコストアップとなる。発電システムとして、系統停電時に発電するというニーズは高いものの、系統が停電することがほとんどないことから、従来はコスト低減を優先し、この機能・構成を省略している。

発明が解決しようとする課題は、構成の大幅な変更やコストアップを抑えつつ、系統停電時に系統独立運転を行うことができる燃料電池発電システムおよびその運転方法を提供することにある。

実施形態の燃料電池発電システムは、水素と酸素とから電力を発生する燃料電池本体と、前記燃料電池本体から発生する電力を直流から交流に変換するインバータと、外部の系統もしくは前記インバータからの電力を用いてシステム内の一部を加熱するヒータと、少なくとも前記インバータと系統とを結ぶ電路の形成と遮断を行う切替手段と、前記ヒータへ供給される電力を位相制御または分周制御により調節することが可能なヒータ電力調節手段と、系統と連系する系統連系運転のほか、系統から独立した系統独立運転を行うことが可能な運転制御手段とを具備し、前記運転制御手段は、系統停電時に、前記切替手段を操作して前記インバータと系統とを結ぶ電路を遮断するとともに、前記インバータから前記ヒータ電力調節手段を経由して前記ヒータへ電力を供給する電路を形成し、前記ヒータ電力調節手段を操作して前記ヒータへ供給される電力を位相制御または分周制御により調節することによって、系統独立運転を実施し、運転状態に応じて、位相制御と分周制御との間で制御方式を切り替えられるように構成されているものである。

第１の実施形態に係る燃料電池発電システムの構成の一例を示すブロック図。 系統連系運転中に系統停電が発生したときの制御部１００の動作の一例を示すフローチャート。 系統停電時に停止中の状態にある燃料電池発電ユニットを起動する方法の一例を示す図。 系統連系運転中に系統停電が発生したときの制御部１００の動作の一例を示すフローチャート。 第２の実施形態に係る燃料電池発電システムの構成の一例を示すブロック図。 第３の実施形態に係る燃料電池発電システムの構成の一例を示すブロック図。 第４の実施形態に係る燃料電池発電システムの構成の一例を示すブロック図。

以下、図面を参照して、実施の形態について説明する。

（第１の実施形態）
図１〜図４を参照して、第１の実施形態について説明する。

図１は、第１の実施形態に係る燃料電池発電システムの構成の一例を示すブロック図である。

燃料電池発電システムは、例えば、燃料電池発電ユニットパッケージ（以下、「燃料電池発電ユニット１１」と称す。）の形態で家庭に設置される。燃料電池発電ユニット１１は、外部の商用系統１２に接続されており、燃料電池発電ユニット１１と商用系統１２とを結ぶ電路には、家庭用電気機器等の電力負荷１３が接続されている。また、燃料電池発電ユニット１１には、貯湯ユニット（ＥＨＵ）１４が接続されている。

燃料電池発電ユニット１１は、主な構成要素として、制御部１００、ディップスイッチ１０１、燃料電池本体（ＣＳＡ）２１、昇圧器２２、インバータ（ＩＮＶ）２３、リレー２４、ＥＭＩフィルタ２５、ブレーカ２６、リレー２７、補機用電力供給部（Ｄ／Ｄ）３１、整流器３２、負荷切替リレー３３、ＦＰＳヒータ４１、ＦＰＳヒータリレー４２、余剰電力ヒータ４３、余剰電力ヒータ制御用トライアック（双方向サイリスタ）４４、切替器４５、貯湯ユニット用コンセント５１、系統独立運転用コンセント５２、切替器５３、ＥＭＩフィルタ５４等を備えている。

制御部１００は、燃料電池発電ユニット１１の状態を検知する各種センサ（図示せず）の検知結果やディップスイッチ１０１の設定内容などに基づいて燃料電池発電ユニット１１全体の動作を制御するものであり、系統１２と連系する系統連系運転（通常運転）と、系統１２から独立した系統独立運転（非常時運転）とを切り替え可能に実施する運転制御機能を有する。この運転制御機能により、例えば、系統連系運転中に、系統１２の停電が発生したことを検知した場合に、貯湯ユニット等の機器に対して継続して電力を供給できるように、系統独立運転へ移行するための一連の処理を行ったり、また、燃料電池発電ユニット１１が停止している状態で、使用者による起動指示の操作を検知した場合に、ディップスイッチ１０１により設定されている動作モードで起動を実施したりする。

ディップスイッチ１０１は、燃料電池発電ユニット１１の起動時に実施すべき動作モードを設定するための操作手段である。起動時の動作モードとして、通常モードとＧＩモードとが用意されており、使用者はいずれか一方を選択して設定を行うことができる。通常モードが設定されているときは、系統１２からの電力で燃料電池発電ユニット１１を起動し、系統連系運転で発電を開始する。一方、ＧＩモードが設定されているときは、外部発電機からの電力で燃料電池発電ユニット１１を起動し、系統独立運転で発電を開始する。このＧＩモードは、例えば系統停電時に停止中の状態にある燃料電池発電ユニット１１を起動させたい場合に利用される。

燃料電池本体（ＣＳＡ）２１は、水素と酸素とを電気化学的に反応させて直流の電力を発生するものである。

昇圧器２２は、燃料電池本体２１から発生する電力の昇圧を行うものである。

インバータ（ＩＮＶ）２３は、昇圧器２２により昇圧された電力を直流から交流に変換して出力するものである。

リレー２４は、接点形式としてＢ接点を採用する切替器もしくは遮断器として機能するものであり、例えば系統連系運転中に系統停電が発生すると接点が閉となり、インバータ２３と系統１２とを結ぶ電路の一部を遮断する。

ＥＭＩフィルタ２５は、供給される電力から電磁ノイズを除去するものである。

ブレーカ２６は、規定値を超える電流が流れた場合に電力供給経路を遮断するものである。

リレー２７は、リレー２４と同様、接点形式としてＢ接点を採用する切替器もしくは遮断器として機能するものであり、例えば系統連系運転中に系統停電が発生すると接点が閉となり、インバータ２３と系統１２とを結ぶ電路の一部を遮断する。

補機用電力供給部（Ｄ／Ｄ）３１は、ポンプやブロア等の補機類（図示せず）の駆動に必要な電力を供給するものである。

整流器３２は、系統１２もしくはインバータ２３から得られる交流の電力を整流し、補機用電力供給部３１が使用する直流の電力を生成するものである。

負荷切替リレー３３は、補機用電力供給部３１が補機類へ供給する電力の電源を、発電中と非発電中とで切り替えるものである。この負荷切替リレー３３は、発電中は接点１と接点２とを接続し、非発電中は接点１と接点３とを接続する。

ＦＰＳヒータ４１は、系統１２もしくはインバータ２３からの電力を用いて燃料電池発電ユニット１１内の一部を加熱するものである。

ＦＰＳヒータリレー４２は、ＦＰＳヒータへの電力の供給と停止とを切り替える切替器として機能するものである。

余剰電力ヒータ４３は、余剰な電力を用いて燃料電池発電ユニット１１内の一部を加熱するものである。

余剰電力ヒータ制御用トライアック４４は、少なくとも系統独立運転中、余剰電力ヒータ４３へ供給する電力を位相制御により調節するものである。

なお、本実施形態では、電力調節手段の一例としてトライアックを例示しているが、低コストを実現できるものであれば、他の種類のスイッチング素子を採用してもよい。また、本実施形態では、制御方式として位相制御を採用しているが、代わりに分周制御を採用することも可能である。例えば、運転状態に応じて、位相制御と分周制御との間で制御方式を切り替えられるように構成してもよい。位相制御では、素子のゲートに印加するトリガ信号を操作し、入力される交流電力に対して素子がオンになる位相角（導通角）を変化させることにより、余剰電力ヒータ４３へ供給する電力を変化させることができる。分周制御では、分周周期のうちのオンとなる期間とオフとなる期間との比率を変化させることにより、余剰電力ヒータ４３へ供給する電力を変化させることができる。位相制御は、一般に分周制御に比べるとノイズが生じやすいが、制御性に優れている。

また、トライアックなどのスイッチング素子を採用する代わりに、例えばインバータ２３よりも小規模で安価な小型インバータを用いてもよい。小型インバータは、例えば制御部１００により制御され、インバータとしての基本的な構成（コンバータ回路、平滑回路、インバータ回路）を備え、出力電圧が単純な矩形波もしくは矩形状のＡＣ波を形成するものであることが望ましい。小型インバータでは、例えば電圧を変化させることにより、余剰電力ヒータ４３へ供給する電力を変化させることができる。

切替器４５は、ＦＰＳヒータ４１および余剰電力ヒータ４３の駆動電源を切り替えるものであり、動作モードに応じて、接点１と接点２とを接続する状態と、接点１と接点３とを接続する状態とを切り替える。例えば、系統連系運転中は、接点１と接点２とを接続することにより、系統１２もしくはインバータ２３から余剰電力ヒータ４３等へ電力を供給する第１の電路を形成し、一方、系統独立運転中は、接点１と接点３とを接続することにより、当該第１の電路を遮断し、インバータ２３から余剰電力ヒータ４３等へ電力を供給する第２の電路を形成する。

貯湯ユニット用コンセント５１は、電力供給を受ける貯湯ユニット１４を接続するための接続口である。

系統独立運転用コンセント５２は、少なくとも系統１２から独立した系統独立運転中に電力供給を受ける電気機器を接続するための接続口である。

切替器５３は、貯湯ユニット用コンセント５１や系統独立運転用コンセント５２へ供給する電力の電源を切り替えるものであり、動作モードに応じて、接点１と接点２とを接続する状態と、接点１と接点３とを接続する状態とを切り替える。例えば、系統連系運転中は、接点１と接点２とを接続することにより、系統１２もしくはインバータ２３から貯湯ユニット用コンセント５１等へ電力を供給する第３の電路を形成し、一方、系統独立運転中は、当該第３の電路を遮断し、インバータ２３から貯湯ユニット用コンセント５１等へ電力を供給する第４の電路を形成する。

ＥＭＩフィルタ５４は、インバータ２３から貯湯ユニット用コンセント５１や系統独立運転用コンセント５２へ供給される電力から電磁ノイズを除去するものである。

なお、上記構成において、リレー２４，２７の接点形式にＢ接点を採用しているのは、通常運用である系統連系運転中の発電効率を最大とするためである。

ここで、図２を参照して、系統連系運転中に系統停電が発生したときの制御部１００の動作の一例を説明する。

制御部１００は、センサ等を通じて、系統連系運転中に系統停電が発生したことを検知すると（ステップＳ１）、リレー２４，２７により、インバータ２３と系統１２とを結ぶ電路を二重に遮断する。また、切替器４５により、系統１２と余剰電力ヒータ４３等とを結ぶ電路を遮断するとともに、インバータ２３から余剰電力ヒータ４３等へ電力を供給する電路を形成する。これにより、インバータ２３の出力だけで余剰電力ヒータ４３等を駆動し、燃料電池本体２１側から発生した電力に基づく自立運転を開始する。なお、自立運転中は、コンセント等に接続される負荷への電力供給が行われないようにすることが望ましい。そして、制御部１００は、余剰電力ヒータ制御用トライアック４４により、系統停電による電力変動（ＦＰＳヒータ４１への供給電力の変動、燃料電池本体２１・インバータ２３の出力変動など）を最小限に抑えるように、もしくはその変動を打ち消すように、余剰電力ヒータ４３に供給されて消費される電力を位相制御により調節する。このようにして、発電出力を一定に保持しつつ系統独立運転へと移行する（ステップＳ２）。

その後、制御部１００は、低出力の状態であれば、余剰電力ヒータ４３に余剰電力を消費させながら通常の出力変化速度で発電出力を徐々に上げていき、出力が例えば３５０Ｗに到達した時点でその出力状態を維持（ホールド）するが、もし電力負荷が無いことが検知されている場合には、出力を３５０Ｗよりも低い必要最小限の値としてもよい（ステップＳ３）。

なお、本実施形態では、インバータ２３の出力電圧が、通常運転である系統連系運転においては例えば２００Ｖとなるように制御される一方で、系統独立運転においては例えば１００Ｖとなるように制御される。

一方で、制御部１００は、切替器５３により、系統１２と貯湯ユニット用コンセント５１等を結ぶ電路を遮断するとともに、インバータ２３からＥＭＩフィルタ５４を経由して貯湯ユニット用コンセント５１等へ電力を供給する電路を形成する。これにより、貯湯ユニット用コンセント５１に常時接続されている貯湯ユニット１４のほか、系統独立運転用コンセント５２に電気機器が接続される場合にはその機器に対し、インバータ２３から出力される電力を供給することが可能となる。なお、系統独立運転用コンセント５２に電気機器が接続されていなくても、運転上支障はない。

これにより、貯湯ユニット用コンセント５１に常時接続されている貯湯ユニット１４は、停電時でも給湯・風呂の使用が可能となる。また、貯湯ユニット１４が例えば１００Ｗの電力を消費する場合、系統独立運転用コンセント５２に接続される電気機器（電力負荷）は、２５０Ｗ程度までの電力の使用が可能となる。例えば１００Ｗの電力負荷が系統独立運転用コンセント５２に接続された場合には、制御部１００は、余剰電力ヒータ制御用トライアック４４で高速に位相制御を行い、出力を１００Ｗ分低減させる。また、１００Ｗの電力負荷が切り離された場合には、余剰電力ヒータ制御用トライアック４４の出力を速やかに１００Ｗ分増加させる。これにより、急激な負荷変化による電力変動を抑えることができる。

系統１２が復電した場合には、制御部１００はセンサ等を通じてこれを検知し（ステップＳ４）、各種の切替手段等を系統停電前の状態に戻して再連系を実施し（ステップＳ５）、学習制御等により出力を上昇させ、一定の出力値に到達したらその出力状態を維持する（ステップＳ６）。

次に、系統停電時に停止中の状態にある燃料電池発電ユニット１１を起動する方法について説明する。

本実施形態では、内部にバッテリーを保持していないため、停電時の完全自立起動は困難であるが、例えば汎用ポータブル発電機などを系統１２側に接続することにより、起動が可能となる。例えば、図３に示されるように、２００Ｖの汎用ポータブル発電機１６、あるいは１００Ｖの汎用ポータブル発電機１７および１００Ｖ／２００Ｖ変圧器１８から生成される２００Ｖの電力を、系統１２側のブレーカ１５と燃料電池発電ユニット１１との間の電路を通じて、燃料電池発電ユニット１１内の主要部へ供給する。

ここで、図４を参照して、系統連系運転中に系統停電が発生したときの制御部１００の動作の一例を説明する。

事前に使用者がディップスイッチ１０１を操作することにより、起動時の動作モードとして前述のＧＩモードが事前に設定されているものとする。

制御部１００は、使用者による起動の指示がなされたことを検知すると、発電準備のための一連の処理として、ＦＰＳヒータ４１等の点火・昇温を実施し（ステップＳ１１）、昇温の完了後（ステップＳ１２のＹｅｓ）、水素リッチガスの製造を開始させる（ステップＳ１３）。

発電準備が完了すると（ステップＳ１４のＹｅｓ）、制御部１００は、起動時の動作モードとして通常モードとＧＩモードのいずれが設定されているかを判定する（ステップＳ１５）。

通常モードが設定されている場合（ステップＳ１５のＮｏ）、系統１２からの電力で起動を実施し、系統連系運転で発電を開始する（ステップＳ１６）。この後、学習制御等により出力を上昇させ、一定の出力値に到達したらその出力状態を維持する（ステップＳ１７）。

一方、ＧＩモードが設定されている場合（ステップＳ１５のＹｅｓ）、制御部１００は、外部発電機からの電力で起動を実施し、系統独立運転で発電を開始する（ステップＳ１８）。本実施形態では、系統１２側に接続された外部発電機から送られてくる電力を燃料電池発電ユニット１１内の主要部へ供給することにより、起動を実施する。以降の処理は、前述のステップＳ２以降の処理と同様となる。

なお、起動後は、外部発電機に電力が戻って外部発電機がトリップまたは破損してしまうことを防ぐため、前述のステップＳ２以降で説明した切替処理等と同様の処理を迅速に行って、系統独立運転を実施する。

また、系統独立運転で発電した後、制御部１００は、前述のステップＳ３の場合と同様に、余剰電力ヒータ４３に余剰電力を消費させながら通常の出力変化速度で発電出力を徐々に上げていき（ステップＳ１９）、出力が例えば３５０Ｗに到達したら（ステップＳ２０のＹｅｓ）、その出力状態を維持（ホールド）する。このとき、例えばＬＥＤ（図示せず）等を通じて「電力負荷の接続可能」を示す表示を行うことが望ましい（ステップＳ２１）。

なお、出力が規定値に到達する前であっても、貯湯ユニット用コンセント５１等に電力負荷を接続することは可能である。但し、信頼性を確保する観点から、起動中は電力負荷を外しておくことが望ましい。

なお、本実施形態では、ディップスイッチ１０１を設けることにより、使用者が起動時の動作モードとして通常モードとＧＩモードのいずれかを選択できるようにしたが、例えばディップスイッチ１０１を設けずに、起動時は常にＧＩモードとなるように構成してもよい。この場合、例えば、起動時はＧＩモードに従って外部発電機からの電力で起動を実施し、系統独立運転で発電を開始し、発電開始後５分はそのまま系統独立運転を続行し、その間に外部電源等が外され系統異常が検知された場合は、系統独立運転のままで出力を上昇させ、一方、系統異常が検知されない場合は、通常の系統連系運転へ移行するように制御してもよい。

第１の実施形態によれば、構成の大幅な変更やコストアップを抑えつつ、系統停電時に系統独立運転を行うことが可能となる。例えば、系統連系運転中に系統停電が発生した場合には、燃料電池発電ユニット１１を従来のように単にフェールセーフ状態にさせるのではなく、電力変動を抑えながら安定した出力を保持しつつ系統独立運転へ移行させることができる。また、系統停電時に停止中の状態にある燃料電池発電ユニット１１を起動する場合においても、簡易な外部発電機を用いて、系統独立運転へ移行させることができる。そのため、系統停電時であっても家電機器等の使用が可能となる。例えば貯湯ユニット用コンセント５１に接続されている貯湯ユニット１４により、系統停電時でも給湯・風呂の使用が可能となる。そのほか、系統独立運転用コンセント５２に接続される電気機器の使用も可能となる。また、急激な負荷変化が生じても、電力変動が抑えられるため、信頼性の高い安定した電力を提供することができる。

（第２の実施形態）
図５を参照して、第２の実施形態について説明する。なお、必要に応じて前述の図１〜図４も参照する。以下では、第１の実施形態と共通する部分の説明を省略し、異なる部分を中心に説明する。

図５は、第２の実施形態に係る燃料電池発電システムの構成の一例を示すブロック図である。なお、図１と共通する要素には同一の符号を付している。

第２の実施形態が第１の実施形態と異なる点は、燃料電池発電ユニット１１が、更に、１００Ｖ外部発電機接続用端子台５５と、２００Ｖ／１００Ｖ変圧器５６とを備えていることである。

１００Ｖ外部発電機接続用端子台５５は、系統停電時に燃料電池発電ユニット１１を起動する際に使用される１００Ｖの外部発電機を接続するための端子台であり、コンセント５１，５２と共通する電路に接続される。このときの外部発電機としては、例えば汎用ポータブル発電機が使用される。前述の第１の実施形態では、系統停電時において２００Ｖ外部発電機等を系統１２に接続し、系統１２側から電力を供給することにより起動を実施する場合を例示したが、この第２の実施形態では、１００Ｖ外部発電機を１００Ｖ外部発電機接続用端子台５５に接続し、２００Ｖ／１００Ｖ変圧器５６から生成される２００Ｖの電力を用いて起動を実施する。

２００Ｖ／１００Ｖ変圧器５６は、ＥＭＩフィルタ５４と切替器５３との間に設けられ、１００Ｖ外部発電機接続用端子台５５に接続される１００Ｖ外部発電機から送られてくる電力を１００Ｖから２００Ｖに変換して出力することができ、また、インバータ２３側から送られてくる電力を２００Ｖから１００Ｖに変換して出力することもできる。前述の第１の実施形態では系統独立運転中のインバータ２３の出力電圧を１００Ｖとなるように制御する場合を例示したが、この第２の実施形態では２００Ｖ／１００Ｖ変圧器５６が設けられていることから、系統独立運転中のインバータ２３の出力電圧を、系統連系運転中と同じ２００Ｖとなるようにすることができる。これにより、系統独立運転中において、最大３５０Ｗまでしか運転できなかったものが、最大７００Ｗまで運転することができるようになる。

第２の実施形態によれば、第１の実施形態と同様の効果が得られるほか、系統停電時に簡易な１００Ｖ外部発電機を１００Ｖ外部発電機接続用端子台５５に接続することで、燃料電池発電ユニット１１を簡単に起動させることができ、また、系統停電時に系統独立運転を行う場合に、本来の定格出力まで電力供給能力を向上させることが可能となる。

（第３の実施形態）
図６を参照して、第３の実施形態について説明する。なお、必要に応じて前述の図１〜図５も参照する。以下では、第２の実施形態と共通する部分の説明を省略し、異なる部分を中心に説明する。

図６は、第３の実施形態に係る燃料電池発電システムの構成の一例を示すブロック図である。なお、図５と共通する要素には同一の符号を付している。

第３の実施形態が第２の実施形態と異なる点は、前述したＥＭＩフィルタ５４、切替器５３、および２００Ｖ／１００Ｖ変圧器５６を含む回路に代えて、２００Ｖ／１００Ｖ変圧器５６および漏電ブレーカ５７を含む回路が設けられ、また、電路の接続関係も変更されていることである。すなわち、ＥＭＩフィルタ等の比較的コストのかかる要素が省かれ、かつ、漏電に対する対策が施されるとともに、より一層簡易な構成が実現されている。

また、系統停電時にＥＭＩフィルタ２５と系統１２とを結ぶ電路の一部を遮断するリレー２８が追加されている。このリレー２８は、リレー２７等と同様、接点形式としてＢ接点を採用する切替器もしくは遮断器として機能するものであり、例えば系統連系運転中に系統停電が発生すると接点が閉となり、インバータ２３と系統１２とを結ぶ電路の一部を遮断する。

制御部１００は、自立運転時もしくは系統独立運転への移行後に、例えばリレー２４の接点を閉にして、インバータ２３の出力電力がＥＭＩフィルタ２５、漏電ブレーカ５７、２００Ｖ／１００Ｖ変圧器５６を経由して、貯湯ユニット用コンセント５１等へ供給されるようにする。

第３の実施形態によれば、第２の実施形態と同様の効果が得られるほか、信頼性や安全性を維持したまま、より一層簡易な構成で、より一層コストを抑えた燃料電池発電ユニット１１を実現することができる。

（第４の実施形態）
図７を参照して、第４の実施形態について説明する。なお、必要に応じて前述の図１〜図６も参照する。以下では、第３の実施形態と共通する部分の説明を省略し、異なる部分を中心に説明する。

図７は、第４の実施形態に係る燃料電池発電システムの構成の一例を示すブロック図である。なお、図６と共通する要素には同一の符号を付している。

第４の実施形態が第３の実施形態と異なる点は、前述した２００Ｖ／１００Ｖ変圧器５６および漏電ブレーカ５７を含む回路に代えて、切替器５３、漏電ブレーカ５７、および自立時用片線接地回路５８を含む回路が設けられ、更に、前述した１００Ｖ外部発電機接続用端子台５５に代えて、２００Ｖ外部発電機接続用端子台５９および１００Ｖ受電用端子台６０が設けられ、電路の接続関係も変更されていることである。

自立時用片線接地回路５８は、切替器５３と漏電ブレーカ５７とを結ぶ電路とグランドとの間に設けられ、自立運転中に当該電路の一部を接地させるための回路である。

２００Ｖ外部発電機接続用端子台５９は、系統停電時に燃料電池発電ユニット１１を起動する際に使用される２００Ｖの外部発電機を接続するための端子台であり、切替器５３と漏電ブレーカ５７とを結ぶ電路に接続される。このときの外部発電機としては、例えば汎用ポータブル発電機が使用される。前述の第３の実施形態では、系統停電時において１００Ｖ外部発電機を１００Ｖ外部発電機接続用端子台５５に接続して２００Ｖ／１００Ｖ変圧器５６から生成される２００Ｖの電力により起動を実施する場合を例示したが、この第４の実施形態では、２００Ｖ／１００Ｖ変圧器５６は不要であり、２００Ｖ外部発電機を２００Ｖ外部発電機接続用端子台５９に接続して、変圧を行うことなく２００Ｖの電力を供給して起動を実施する。

１００Ｖ受電用端子台６０は、１００Ｖを受電する外部機器（電力負荷）を接続するための端子台であり、コンセント５１，５２と共通する電路に接続される。系統停電時でも、この１００Ｖ受電用端子台６０を通じて１００Ｖの受電を行うことが可能である。

制御部１００は、自立運転時もしくは系統独立運転への移行後に、例えばリレー２４の接点を閉にして、インバータ２３の出力電力を、ＥＭＩフィルタ２５、漏電ブレーカ５７、切替器５３を経由して、貯湯ユニット用コンセント５１等へ供給させるほか、１００Ｖ受電用端子台６０へも供給させることができる。また、制御部１００は、自立運転に際し、必要に応じて自立時用片線接地回路５８を操作し、切替器５３と漏電ブレーカ５７とを結ぶ電路の一部を接地させる。

第４の実施形態によれば、第３の実施形態と同様の効果が得られるほか、２００Ｖ／１００Ｖ変圧器を設けない構成で、系統停電時に２００Ｖ外部発電機を２００Ｖ外部発電機接続用端子台５９に接続することにより、燃料電池発電ユニット１１を直接起動させることができる。また、系統停電時に、安定した自立運転を開始することができ、１００Ｖ受電用端子台６０を通じて１００Ｖの受電を行うこともできる。

以上詳述したように、各実施形態によれば、構成の大幅な変更やコストアップを抑えつつ、系統停電時に系統独立運転を行うことができる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１１…燃料電池発電ユニット（パッケージ）、１２…商用系統、１３…負荷、１４…貯湯ユニット（ＥＨＵ）、１６…２００Ｖ汎用ポータブル発電機、１７…１００Ｖ汎用ポータブル発電機、１８…１００Ｖ／２００Ｖ変圧器、２１…燃料電池本体（ＣＳＡ）、２２…昇圧器、２３…インバータ（ＩＮＶ）、２４…リレー、２５…ＥＭＩフィルタ、２６…ブレーカ、２７，２８…リレー、３１…補機用電力供給部（Ｄ／Ｄ）、３２…整流器、３３…負荷切替リレー、４１…ＦＰＳヒータ、４２…ＦＰＳヒータリレー、４３…余剰電力ヒータ、４４…余剰電力ヒータ制御用トライアック、４５…切替器、５１…貯湯ユニット用コンセント、５２…系統独立運転用コンセント、５３…切替器、５４…ＥＭＩフィルタ、５５…１００Ｖ外部発電機接続用端子台、５６…２００Ｖ／１００Ｖ変圧器、５７…漏電ブレーカ、５８…自立時用片線接地回路、５９…２００Ｖ外部発電機接続用端子台、６０…１００Ｖ受電用端子台、１００…制御部、１０１…ディップスイッチ。

Claims (15)

1. 水素と酸素とから電力を発生する燃料電池本体と、
   前記燃料電池本体から発生する電力を直流から交流に変換するインバータと、
   外部の系統もしくは前記インバータからの電力を用いてシステム内の一部を加熱するヒータと、
   少なくとも前記インバータと系統とを結ぶ電路の形成と遮断を行う切替手段と、
   前記ヒータへ供給される電力を位相制御または分周制御により調節することが可能なヒータ電力調節手段と、
   系統と連系する系統連系運転のほか、系統から独立した系統独立運転を行うことが可能な運転制御手段とを具備し、
   前記運転制御手段は、系統停電時に、前記切替手段を操作して前記インバータと系統とを結ぶ電路を遮断するとともに、前記インバータから前記ヒータ電力調節手段を経由して前記ヒータへ電力を供給する電路を形成し、前記ヒータ電力調節手段を操作して前記ヒータへ供給される電力を位相制御または分周制御により調節することによって、系統独立運転を実施し、
   運転状態に応じて、位相制御と分周制御との間で制御方式を切り替えられるように構成されていることを特徴とする燃料電池発電システム。
2. 前記ヒータ電力調節手段は、トライアックであることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池発電システム。
3. 水素と酸素とから電力を発生する燃料電池本体と、
   前記燃料電池本体から発生する電力を直流から交流に変換するインバータと、
   外部の系統もしくは前記インバータからの電力を用いてシステム内の一部を加熱するヒータと、
   少なくとも前記インバータと系統とを結ぶ電路の形成と遮断を行う切替手段と、
   前記インバータよりも小規模に構成され、前記ヒータへ供給される電力を調節することが可能な小型インバータと、
   系統と連系する系統連系運転のほか、系統から独立した系統独立運転を行うことが可能な運転制御手段とを具備し、
   前記運転制御手段は、系統停電時に、前記切替手段を操作して前記インバータと系統とを結ぶ電路を遮断するとともに、前記インバータから前記小型インバータを経由して前記ヒータへ電力を供給する電路を形成し、前記小型インバータを操作して前記ヒータへ供給される電力を調節することによって、系統独立運転を実施することを特徴とする燃料電池発電システム。
4. 前記運転制御手段は、少なくとも系統独立運転中は、前記小型インバータの出力電圧が矩形波もしくは矩形状のＡＣ波を形成するように制御することを特徴とする請求項３に記載の燃料電池発電システム。
5. 前記切替手段は、系統連系運転中は前記系統もしくは前記インバータから前記ヒータへ電力を供給する第１の電路を形成し、一方、系統独立運転中は前記第１の電路を遮断し、前記インバータから前記ヒータへ電力を供給する第２の電路を形成する切替器を含むことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の燃料電池発電システム。
6. 前記切替手段は、系統停電時に、前記インバータと前記系統とを結ぶ電路を複数箇所にて遮断する複数のリレーを含むことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の燃料電池発電システム。
7. 電力の供給を受ける電気機器を接続するための接続口を更に具備し、
   系統独立運転中は、前記インバータから前記接続口へ電力が供給されることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の燃料電池発電システム。
8. 前記切替手段は、系統連系運転中は前記系統もしくは前記インバータから前記接続口へ電力を供給する第３の電路を形成し、一方、系統独立運転中は前記第３の電路を遮断し、前記インバータから前記接続口へ電力を供給する第４の電路を形成する切替器を含むことを特徴とする請求項７に記載の燃料電池発電システム。
9. 前記接続口と共通する電路に接続され、系統独立運転中に受電する電気機器を接続するための端子台を更に具備し、
   系統独立運転中は、前記インバータから前記第４の電路を通じて前記端子台へ電力が供給されることを特徴とする請求項８に記載の燃料電池発電システム。
10. 前記インバータと前記接続口との間に接続される変圧器を更に具備し、
    系統独立運転中は、前記インバータから出力される電力が前記変圧器により降圧されて前記接続口へ供給されることを特徴とする請求項７乃至９のいずれか１項に記載の燃料電池発電システム。
11. 前記接続口と共通する電路に接続され、当該燃料電池発電システムの起動に使用する外部発電機を接続するための外部発電機接続用端子を更に具備することを特徴とする請求項１０に記載の燃料電池発電システム。
12. 前記運転制御手段は、系統連系運転中は、前記インバータの出力電圧が第１の電圧値となるように制御し、一方、系統独立運転中は、前記インバータの出力電圧が前記第１の電圧値よりも小さい第２の電圧値となるように制御し、
    系統独立運転中は、前記インバータから前記第２の電圧値を有する電圧が前記接続口へ供給されることを特徴とする請求項７乃至９に記載の燃料電池発電システム。
13. 当該燃料電池発電システムの起動に使用する外部発電機を接続するための外部発電機接続用端子を更に具備することを特徴とする請求項１２に記載の燃料電池発電システム。
14. 当該燃料電池発電システムの起動時の動作モードを設定するための操作手段を更に具備し、
    前記運転制御手段は、所定の動作モードが設定されている場合、外部発電機の電力を用いて起動を実施し、系統独立運転で発電を開始することを特徴とする請求項１乃至１３のいずれか１項に記載の燃料電池発電システム。
15. 水素と酸素とから電力を発生する燃料電池本体と、前記燃料電池本体から発生する電力を直流から交流に変換するインバータと、外部の系統もしくは前記インバータからの電力を用いてシステム内の一部を加熱するヒータと、系統と連系する系統連系運転のほか、系統から独立した系統独立運転を行うことが可能な運転制御手段とを備えた燃料電池発電システムに適用される燃料電池発電システムの運転方法であって、
    系統停電時に、前記運転制御手段が、切替手段を操作して前記インバータと系統とを結ぶ電路を遮断するとともに、前記インバータからヒータ電力調節手段を経由して前記ヒータへ電力を供給する電路を形成し、前記ヒータ電力調節手段を操作して前記ヒータへ供給される電力を位相制御または分周制御により調節することによって、系統独立運転を実施し、
    運転状態に応じて、位相制御と分周制御との間で制御方式を切り替えることを特徴とする燃料電池発電システムの運転方法。

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