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JP6208660B2 - 固体酸化物形燃料電池システム - Google Patents

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Description

本発明は、電解質として固体酸化物を用い、高温で高効率に発電可能な、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）を備える固体酸化物形燃料電池システムに関し、特に系統電源との連系による系統連系運転と系統電源から解列しての自立運転とが可能な固体酸化物形燃料電池システムに関する。
特許文献１には、非常時対応型燃料電池システムが開示されている。
これは、電力需要場所に近接した分散型発電による電源を商用電源と接続して使用することができ、商用電源と切断されても、自立運転や、自立起動が可能である。よって、災害時などの短絡事故を回避して、家庭への電力を供給することができ、家庭の消費電力の変動による余剰電力を適切に消費して安全運転ができるよう構成されている。
この特許文献１では、自立運転中、外部負荷電力に応じて任意に変動させて、家庭への電力供給を行っている。この場合、家庭の消費電力の変動に対応して発電することは困難なため、家庭の消費電力より過剰の発電を行い、余剰の電力は負荷装置で適切に消費するようにしている。
日本国公開特許公報：特開２００７−１７９８８６号
しかし、現実的には、燃料電池で常時、外部負荷電力より多く発電することは困難で、この点で改善の余地があった。
この状況を踏まえ、現状に適した仕様としては、自立運転時に、発電電力に比べて負荷電力が大きい場合、すなわち過負荷の場合は、外部負荷への電力供給を停止するようにすることが望ましい。
一方、通常の電気製品は、電力供給の開始時に瞬間的に大電流（突入電流）が発生する。この突入電流が発生すると、負荷電力も急激に増加し、突入電流の大きさにもよるが、負荷電力がしきい値を超えて、電力供給が停止されてしまう。従って、単純に負荷電力がしきい値を超えたときに電力供給を停止する方式では、電気製品の通常の使用電力で見ると、使用可能であっても、突入電流の存在により電気製品が使用できなくなる可能性がある。
本発明は、ある程度の突入電流を許容すれば、より多くの電気製品を使用可能になるという事実に鑑み、負荷の単純な大きさだけでなく、時間要素を考慮して、最適な過負荷時制御を行うことができる、固体酸化物形燃料電池システムを提供することを課題とする。
本発明に係る固体酸化物形燃料電池システムは、燃料と酸化剤との電気化学反応により発電する固体酸化物形燃料電池と、この燃料電池の出力側に設けられるパワーコンディショナーと、前記燃料電池及び前記パワーコンディショナーを制御し、系統電源との連系による系統連系運転と系統電源から解列しての自立運転とを切換可能な制御装置と、を備え
前記パワーコンディショナーは、直流電力を交流電力に変換するインバータの出力側から自立運転時に外部負荷へ電力を供給する自立出力ラインと、該自立出力ラインを導通・遮断する自立出力リレーとを有し、
前記制御装置は、自立運転時に負荷の大きさと継続時間とに基づいて過負荷状態を検出し、過負荷状態のときに、外部負荷への電力供給を停止する過負荷時制御部を備えるとともに、
前記過負荷時制御部は、外部負荷への電力供給を停止するに際し、前記自立出力リレーへのオフ指令と同時又はこれに先立って前記インバータの作動を停止し、前記自立出力リ
レーのオフ後に前記インバータの作動を再開させる。
ここにおいて、前記制御装置は、自立運転時に負荷の大きさと継続時間とに基づいて過負荷状態を検出し、過負荷状態のときに、外部負荷への電力供給を停止する過負荷時制御部を備える構成とし、前記パワーコンディショナーは、直流電力を交流電力に変換するインバータの出力側から自立運転時に外部負荷へ電力を供給する自立出力ラインと、該自立出力ラインを導通・遮断する自立出力リレーとを有する。ここにおいて、前記過負荷時制御部（その電力供給停止部）は、外部負荷への電力供給を停止するに際し、前記自立出力リレーへのオフ指令と同時又はこれに先立って前記インバータの作動を停止し、前記自立出力リレーのオフ後に前記インバータの作動を再開させる構成とする。
前記過負荷時制御部は、自立運転時に負荷電力を検出する負荷電力検出部と、自立運転時の負荷電力が所定の電力しきい値を超えた状態が第１の所定時間以上継続したときに、外部負荷への電力供給を停止する第１の電力供給停止部と、を含んで構成されるとよい。
前記電力しきい値は、段階的に複数設定され、前記第１の所定時間は、前記複数の電力しきい値のそれぞれに対応させて、前記電力しきい値が大きいほど短く設定されるとよい。
追加又は別の態様として、前記過負荷時制御部は、自立運転時に前記パワーコンディショナーへの入力電流を検出する電流検出部と、前記入力電流が所定の電流しきい値を超えた状態が第２の所定時間以上継続したときに、外部負荷への電力供給を停止する第２の電力供給停止部と、を含んで構成されるとよい。
前記電流しきい値についても、段階的に複数設定され、前記第２の所定時間は、前記複数の電流しきい値のそれぞれに対応させて、前記電流しきい値が大きいほど短く設定されるとよい。
追加又は別の態様として、前記過負荷時制御部は、自立運転時に前記パワーコンディショナーでの昇圧電圧を検出する電圧検出部と、前記昇圧電圧が所定の電圧しきい値より低下した状態が第３の所定時間以上継続したときに、外部負荷への電力供給を停止する第３の電力供給停止部と、を含んで構成されるとよい。
前記電圧しきい値についても、段階的に複数設定され、前記第３の所定時間は、前記複数の電圧しきい値のそれぞれに対応させて、前記電圧しきい値が小さいほど短く設定されるとよい。
本発明によれば、自立運転時の負荷の大きさと継続時間とに基づいて過負荷状態を検出し、過負荷状態のときに、より具体的には、自立運転時の負荷電力が所定の電力しきい値を超える状態が所定時間以上継続したときに、外部負荷への電力供給を停止する構成とすることにより、負荷の大きさだけでなく、時間要素を考慮することができ、電気的に問題とならないレベルの突入電流によるものであれば、過負荷判定をしないようにして、電気製品の使用範囲を広げることができる。
また、負荷電力に対する電力しきい値は、段階的に複数設定し、対応する継続時間は、電力しきい値が大きいほど短く設定することによって、より適切な過負荷判定が可能となる。
また、パワーコンディショナーへの入力電流が所定の電流しきい値を超えた状態が所定時間以上継続したときに、外部負荷への電力供給を停止するように構成し、入力電流を監視して、過負荷に素早く対応することができる。
また、入力電流に対する電流しきい値は、段階的に複数設定し、対応する継続時間は、電流しきい値が大きいほど短く設定することによって、より適切な過負荷判定が可能となる。
また、パワーコンディショナーでの昇圧電圧が所定の電圧しきい値より低下した状態が所定時間以上継続したときに、外部負荷への電力供給を停止するように構成し、昇圧電圧を監視して、過負荷に素早く対応することができる。
また、昇圧電圧に対する電圧しきい値は、段階的に複数設定し、対応する継続時間は、電圧しきい値が小さいほど短く設定することによって、より適切な過負荷判定が可能となる。
また、外部負荷への電力供給を停止するに際し、自立出力リレーをオフするには時間遅れを有することから、緊急を要する場合は、インバータの作動を停止させることで、電力供給を瞬時に停止させることができる。そして、自立出力リレーのオフ後にインバータの作動を再開させることで、発電をほとんど停止させることなく（インバータを停止させている極短い時間だけ停止させるだけで）、電力供給を速やかに停止することができる。
本発明の一実施形態を示す固体酸化物形燃料電池システムの構成図 モード切換制御のフローチャート 自立運転モードのフローチャート 制御例１を示す図 制御例２を示す図 他の実施形態として示す自立運転モードのフローチャート（その１） 同上のフローチャート（その２）
以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。
図１は本発明の一実施形態を示す固体酸化物形燃料電池システムの構成図である。家庭用（定置式）の燃料電池システムは、コージェネレーションシステムとして、発電ユニットの他、貯湯ユニットを備えるが、図には発電ユニットのみを示している。
本実施形態の固体酸化物形燃料電池システム（発電ユニット）は、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）１と、パワーコンディショナー（ＰＣＳ）２と、制御装置１００とを含んで構成される。
固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）１は、複数の固体酸化物形燃料電池セルの組立体（セルスタック）である。各燃料電池セルは、燃料極（アノード）と、酸化剤極（カソード）と、これらの間に配置された電解質層とを有している。燃料極には、水素含有燃料が供給され、酸化剤極には、酸化剤として空気（酸素を含む）が供給される。電解質層は、ジルコニア系セラミックスなどの固体酸化物により形成される。
従って、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）１は、電解質層の一端側の燃料極に水素が供給され、電解質層の他端側の酸化剤極に酸素が供給されることで、水素と酸素との電気化学反応により、発電（直流電力を発生）する。電解質層が固体酸化物により形成された固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）１は、高温で高効率に発電可能であり、連続運転を基本としている。
尚、燃料極への水素含有燃料の供給のため、一般的には、炭化水素系の燃料（例えば都市ガス、ＬＰＧ、灯油、メタノール、バイオ燃料など）を、改質触媒を用いて、水蒸気改質反応、部分酸化反応、自己熱改質反応などにより改質し、水素リッチな改質ガスを生成する燃料改質装置が用いられるが、図示は省略した。尚、燃料として改質処理を必要としない燃料（例えば、純水素ガス、水素富化ガス、水素吸蔵剤など）を用いる場合は、燃料改質装置自体を省略することができる。
パワーコンディショナー２は、燃料電池１で発生した直流電力を取り出すものであり、また、直流電力を交流電力に変換する。従って、パワーコンディショナー２は、燃料電池１で発生した直流電力を取り出して昇圧するＤＣ／ＤＣコンバータ３と、その後段で直流電力を交流電力に変換するＤＣ／ＡＣインバータ４とを含んで構成される。
パワーコンディショナー２の出力側（ＤＣ／ＡＣインバータ４の出力側）は、系統連系リレー５を介して、系統連系ラインＬ１により、系統電源６と家庭内負荷７とに接続されている。
従って、系統連系時（系統連系リレー５のオン時）には、燃料電池１の発電電力がＤＣ／ＤＣコンバータ３及びＤＣ／ＡＣインバータ４を介して家庭内負荷７に供給され、燃料電池１の発電電力が家庭内負荷７の需要電力に満たない場合は、不足分として、系統電源６からの系統電力が家庭内負荷７に供給される。
また、系統連系リレー５の出力側から分岐ラインが設けられ、後述する切換リレー１８を介して、系統連系時に燃料電池システムの各種補機８に電力が供給されるようになっている。補機８には、発電ユニット側の機器（ポンプ、ヒータ等）の他、貯湯ユニット側の機器も含まれる。
パワーコンディショナー２にはまた、余剰電力消費用の負荷装置として、余剰電力ヒータ９が接続される。余剰電力ヒータ９としては、ＤＣヒータ又はＡＣヒータのいずれでもよいが、ここではＡＣヒータを例示している。余剰電力ヒータ（ＡＣヒータ）９は、ＤＣ／ＡＣインバータ４の出力側にソリッドステートリレー（ＳＳＲ）１０を介して接続される。この余剰電力ヒータ９は、系統連系時において、燃料電池１の発電電力が家庭内負荷７の需要電力を上回った場合に、逆潮流を防止すべく余剰電力を消費するために設けられる。また、余剰電力ヒータ９は、余剰電力を熱に変換し、図外の貯湯ユニット内の水（湯）を温めるのに利用される。但し、熱利用についてはこれに限定されるものではない。
制御装置１００は、マイクロコンピュータにより構成され、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ及び入出力インターフェイスなどを備えている。この制御装置１００は、系統連系時には、家庭内負荷７の需要電力に応じて、燃料電池１の発電電力を制御し、これに合わせてパワーコンディショナー２（ＤＣ／ＤＣコンバータ３、ＤＣ／ＡＣインバータ４、ソリッドステートリレー１０等）を制御する。尚、パワーコンディショナー２との間ではデータの送受信が可能である。
家庭内負荷７の需要電力の検知には、系統電源６から家庭内負荷７に供給される電力を計測する電力計測器（変流器）１１と、パワーコンディショナー２から家庭内負荷７に供給される電力を計測する電力計測器１２とが用いられる。
制御装置１００による発電電力の制御は、燃料電池１への燃料及び空気の供給量を制御することによって行う。多くの場合は燃料改質装置を備えるので、燃料供給量の制御は燃料改質装置へ供給する燃料量を制御することになる。
従って、制御装置１００は、家庭内負荷７の需要電力に応じて設定される燃料電池１の発電電力目標値に従って（発電電力目標値を得るように）、燃料及び空気の供給量を制御することにより、燃料電池１の発電電力を制御する。
制御装置１００はまた、燃料電池１の発電電力の制御と並行し、パワーコンディショナー２を制御する。具体的には、燃料電池１の発電電力目標値に基づいて、燃料電池１から取り出す電流を設定・制御する。より詳しくは、燃料電池１の発電電力目標値を燃料電池１の出力電圧で除算して、電流目標値を設定し、この電流目標値に従って、燃料電池１から取り出す電流（掃引電流）を制御する。
本実施形態の固体酸化物形燃料電池システムは、系統電源６との連系による系統連系運転と、系統電源６から解列しての自立運転（系統解列運転）とが可能である。
自立運転を可能にするため、パワーコンディショナー２には、外部電源１３を接続可能である。外部電源１３としては、例えば自動車のバッテリ（ＤＣ１２Ｖ）を想定している。このため、パワーコンディショナー２内のＤＣ／ＡＣインバータ４の入力側にＤＣ／ＤＣコンバータ３と並列に専用のＤＣ／ＤＣコンバータ１４を設け、このＤＣ／ＤＣコンバータ１４の入力側に適宜のコネクタを介して外部電源１３を接続可能としてある。このように外部電源１３を接続可能とすることで、燃料電池１の発電停止中に停電した場合など、自立運転のために燃料電池１の起動が必要な場合に対処可能となる。
パワーコンディショナー２にはまた、自立運転時の出力ラインとして、系統連系ラインＬ１とは別に、ＤＣ／ＡＣインバータ４から自立起動リレー１５及び自立出力リレー１６を介して自立専用コンセント１７へ至る自立出力ラインＬ２が設けられる。
また、自立起動リレー１５と自立出力リレー１６との接続点から分岐ラインが設けられ、切換リレー１８を介して、自立運転時に燃料電池システムの各種補機８に電力が供給されるようになっている。
制御装置１００には、運転モード切換スイッチ２０からの信号が入力される。運転モード切換スイッチ２０は、ユーザーの操作により、停電時などに系統連系運転から自立運転への移行を指示することができ、また復電時などに自立運転から系統連系運転への移行を指示することができる。従って、制御装置１００は、運転モード切換スイッチ２０による指令に応じて、系統電源６との連系による系統連系運転と、系統電源６から解列しての自立運転とを切換可能である。言い換えれば、系統連系運転と自立運転とのモード切換えは自動では行われず、ユーザーにより運転モード切換スイッチ２０が操作されなければならない。
自立運転中の制御のため、パワーコンディショナー２内に設けられている電力計測器１２と電流計２１と電圧計２２とが用いられる。電力計測器１２は、ＤＣ／ＡＣインバータ４の出力側（直後）に設けられ、自立運転中の負荷電力（自立専用コンセント１７を介して外部負荷に供給される電力、補機８に消費される電力、及び、余剰電力ヒータ９に消費される電力）を計測する。電流計２１は、ＤＣ／ＤＣコンバータ３の入力電流を計測する。電圧計２２は、ＤＣ／ＤＣコンバータ３の出力電圧（昇圧電圧）を計測する。これらにより得た情報は制御装置１００に送信される。
停電時などに系統連系運転モードから自立運転モードへ切換える場合は、必要により外部電源１３を接続し、運転モード切換スイッチ２０を自立運転モード側へ操作（例えばオン操作）する。
これにより、制御装置１００は、系統連系リレー５をオフにして、系統電源６から解列する一方、自立起動リレー１５及び自立出力リレー１６をオンにして、自立運転に切換える。また、切換リレー１８によって補機８への電力供給ラインも切換える。
自立運転への切換えにより、燃料電池１の発電電力を自立専用コンセント１７に供給し、これに接続された各種外部負荷（図示せず）を作動させることができる。
尚、燃料電池システムは、系統電源６での運転中に停電を検知すると、一定時間（例えば１５分間）、待機状態に入るように構成されており、この待機時間内であれば、自立運転へのスムーズな移行が可能である。
自立運転への移行時に、燃料電池１が停止していた場合は、燃料電池１を起動する必要がある。この場合は、自立起動リレー１５のみオンにして（自立出力リレー１６はオフ）、外部電源１３により補機８を駆動しつつ、燃料電池１を起動する。そして、起動後に自立出力リレー１６をオンにして、燃料電池１の発電電力を自立専用コンセント１７に供給する。
自立運転モードでは、制御装置１００は燃料電池１の発電電力を予め定めた一定電力、例えば（定格出力７００Ｗに対し）５００Ｗに制御する。従って、移行時に燃料電池１が運転中であったならば、発電電力を５００Ｗに収束させる。このとき５００Ｗより高い状態から５００Ｗに低下させる場合は、５００Ｗに低下してから、自立専用コンセント１７への電力供給を開始する。５００Ｗより低い状態から５００Ｗに上昇させる場合は、２５０Ｗ程度から自立専用コンセント１７への電力供給を開始する。移行時に燃料電池１が停止中であったならば、起動して５００Ｗまで立上げる。この場合、起動開始後２５０Ｗ程度まで上昇した時点で、自立専用コンセント１７への電力供給を開始する。
自立運転モードでは、一定電力（５００Ｗ）の発電中、負荷電力を超える余剰電力（＝一定発電電力−外部負荷電力−補機負荷電力）は、負荷装置としての余剰電力ヒータ９により消費する。
自立運転モードでは、負荷電力が一定発電電力を超える場合、すなわち、過負荷の場合は、原則的に、外部負荷への電力供給を停止する。すなわち、自立出力リレー１６をオフにして、自立専用コンセント１７への電力供給を停止する。このときも一定電力（５００Ｗ）の発電は継続し、余剰分は、全て、余剰電力ヒータ９で消費する。
このときの過負荷判定は、継続時間を考慮して行い、次の（１）〜（５）の場合に電力供給を停止する。
（１）負荷電力が５００Ｗを超えた状態を５００ｍｓ継続した場合に、電力供給を停止する。
（２）負荷電力が６００Ｗ（５００Ｗ＋１００Ｗ）を超えた状態を１００ｍｓ継続した場合に、電力供給を停止する。
（３）負荷電力が７００Ｗ（５００Ｗ＋２００Ｗ）を超えた状態を数ｍｓ継続した場合に、電力供給を停止する。
（４）ＤＣ／ＤＣコンバータ３の入力電流が５０Ａを超えた状態を数ｍｓ継続した場合に、電力供給を停止する。
（５）ＤＣ／ＤＣコンバータ３の出力電圧（昇圧電圧）が３００Ｖより低下した状態を数ｍｓ継続した場合に、電力供給を停止する。
外部負荷への電力供給を停止する際は、自立出力リレー１６をオフにするが、自立出力リレー１６へのオフ指令から実際にオフするまでには遅れ時間（数１０ｍｓ）があるため、スピードが求められる場合は、次のようにして電力供給を停止する。
ＤＣ／ＡＣインバータ４を停止（ゲートオフ）させる。これにより電力供給を直ちに停止することができる。しかし、ＤＣ／ＡＣインバータ４を停止させると、余剰電力ヒータ９への電力供給が止まり、燃料電池１での発電が停止されて、水素が余る状態となる。そこで、自立出力リレー１６へのオフ指令と同時又はこれに先立ってＤＣ／ＡＣインバータ４を停止させ、自立出力リレー１６のオフ後（遅れ時間の経過後）に、ＤＣ／ＡＣインバータ４を稼動（ゲートオン）する。これにより、余剰電力ヒータ９への電力供給が再開され、水素消費が促される。よって、突入電流を瞬時に防止するために効果的な電力供給停止方法は、ゲートオフ＋リレーオフ指令→解列（リレーオフ）→ゲートオン→余剰電力ヒータ供給の手順である。尚、この電力供給停止方法は、前述の（１）〜（５）の電力供給停止シーンの中では、特に（４）及び（５）のシーンで、採用するのが望ましい。
電力供給停止後は、予め定めた一定時間（例えば３０秒）後に、再度、自立出力リレー１６をオンにして、自立専用コンセント１７への電力供給を再開する。
そして、電力供給再開後に負荷状態を再度チェックし、適正な負荷であれば、電力供給を継続するが、過負荷であれば、電力供給を再び一定時間（３０秒）停止する。この一定時間（３０秒）は、ユーザーが負荷を減少させることを期待しての待ち時間である。
ここで、制御装置１００の機能をまとめれば、次の通りである。
制御装置１００は、自立運転時に燃料電池１の発電電力を予め定めた一定電力（５００Ｗ）に制御する自立発電電力制御部と、自立運転時に負荷電力を超える余剰電力を負荷装置（余剰電力ヒータ９）により消費する余剰電力消費部と、自立運転時に負荷の大きさと継続時間とに基づいて過負荷状態を検出し、過負荷状態のときに、外部負荷への電力供給を停止する過負荷時制御部と、を備える。
前記過負荷時制御部は、自立運転時に負荷電力を検出する負荷電力検出部と、自立運転時の負荷電力が所定の電力しきい値を超えた状態が所定時間以上継続したときに、外部負荷への電力供給を停止する第１の電力供給停止部と、を含んで構成される。ここで、前記電力しきい値は、段階的に複数設定され、前記所定時間は、前記複数の電力しきい値のそれぞれに対応させて、前記電力しきい値が大きいほど短く設定される。
前記過負荷時制御部は、また、自立運転時にパワーコンディショナー２への入力電流を検出する電流検出部と、前記入力電流が所定の電流しきい値を超えた状態が所定時間以上継続したときに、外部負荷への電力供給を停止する第２の電力供給停止部と、を含んで構成される。
前記過負荷時制御部は、また、自立運転時にパワーコンディショナー２での昇圧電圧を検出する電圧検出部と、前記昇圧電圧が所定の電圧しきい値より低下した状態が所定時間以上継続したときに、外部負荷への電力供給を停止する第３の電力供給停止部と、を含んで構成される。
前記過負荷時制御部（その電力供給停止部）は、外部負荷への電力供給を停止するに際し、自立出力リレー１６へのオフ指令と同時又はこれに先立ってＤＣ／ＡＣインバータ４の作動を停止し、自立出力リレー１６のオフ後にＤＣ／ＡＣインバータ４の作動を再開させる。
前記過負荷時制御部は、また、外部負荷への電力供給停止時に、燃料電池１の発電電力を負荷装置（余剰電力ヒータ９）により消費する発電電力消費部を含んで構成される。
前記過負荷時制御部は、外部負荷への電力供給を予め定めた一定時間（３０秒）停止し、一定時間経過後に電力供給を再開する。
次に図２及び図３により制御の流れをフローチャートにより説明する。
図２は制御装置１００により実行されるモード切換制御のフローチャートである。尚、初期状態は系統連系運転モードであるとする。
Ｓ１では、停電などにより運転モード切換スイッチ２０がオン操作されたか否かを判定し、オン操作された場合に、Ｓ２へ進む。
Ｓ２では、系統解列を実行する。次のＳ３では、燃料電池（ＦＣ）１が停止中か否かを判定し、停止中であれば、Ｓ４へ進んで、燃料電池１を起動する。燃料電池１が運転中の場合、又は、燃料電池１の起動が完了した場合は、Ｓ５の自立運転モードへ移行する。
その後は、Ｓ６で復電などにより運転モード切換スイッチ２０がオフ操作されたか否かを判定し、オフ操作されるまで、Ｓ５の自立運転モードを継続する。オフ操作された場合は、Ｓ７へ進む。
Ｓ７では、系統連系を実行する。そして、Ｓ８の系統連系運転モードへ戻る。
図３は制御装置１００により実行される自立運転モードのフローチャートである。
Ｓ１１では、発電電力を予め定めた一定電力、例えば５００Ｗに固定して、外部負荷に電力を供給し、余剰電力は余剰電力ヒータ９により消費する設定とする。
Ｓ１２では、電力計測器１２により負荷電力を計測し、電流計２１によりＤＣ／ＤＣコンバータ３の入力電流を検出し、電圧計２２によりＤＣ／ＤＣコンバータ３の出力電圧（昇圧電圧）を計測する。
Ｓ１３では、ＤＣ／ＤＣコンバータ３の出力電圧（昇圧電圧）が３００Ｖより低下したか否かを判定し、低下した場合は、Ｓ１４へ進み、低下した状態が数ｍｓ継続したか否かを判定する。これらの判定の結果、３００Ｖより低下した状態が数ｍｓ継続したときは、過負荷ゆえ電力供給を停止すべく、Ｓ２３へ進む。Ｓ１３又はＳ１４での判定でＮＯの場合は、Ｓ１５へ進む。
Ｓ１５では、ＤＣ／ＤＣコンバータ３の入力電流が５０Ａを超えたか否かを判定し、超えた場合は、Ｓ１６へ進み、超えた状態が数ｍｓ継続したか否かを判定する。これらの判定の結果、５０Ａを超えた状態が数ｍｓ継続したときは、過負荷ゆえ電力供給を停止すべく、Ｓ２３へ進む。Ｓ１５又はＳ１６での判定でＮＯの場合は、Ｓ１７へ進む。
本実施形態のフローにおいては、ＤＣ／ＤＣコンバータ３の出力電圧、入力電流の順に各値を判定する制御フローになっているが、この理由としては以下の事を考慮して決定している。
発電電力において、負荷電流の変動が生じると、その出力電圧も同時に変動する。その変動分の電力は、一時的にＤＣ／ＤＣコンバータ３の２次側のバス部に設けられたバイパスコンデンサから供給される。よって、一時的にバス部に生じた電圧の変動を検出したＤＣ／ＤＣコンバータ３は、帰還制御により発電電力の供給電流を制御することでバス部の電圧を一定に保つように働く。上記の事から、最初にＤＣ／ＤＣコンバータ３の後段の電圧を計測してその値を判定することで、安定した電力が供給されているかどうかの判定材料に成り得る。
Ｓ１７では、負荷電力が７００Ｗを超えた（発電電力より２００Ｗ超過）か否かを判定し、超えた場合は、Ｓ１８へ進み、超えた状態が数ｍｓ継続したか否かを判定する。これらの判定の結果、７００Ｗを超えた状態が数ｍｓ継続したときは、過負荷ゆえ電力供給を停止すべく、Ｓ２３へ進む。Ｓ１７又はＳ１８での判定でＮＯの場合は、Ｓ１９へ進む。
Ｓ１９では、負荷電力が６００Ｗを超えた（発電電力より１００Ｗ超過）か否かを判定し、超えた場合は、Ｓ２０へ進み、超えた状態が１００ｍｓ継続したか否かを判定する。これらの判定の結果、６００Ｗを超えた状態が１００ｍｓ継続したときは、過負荷ゆえ電力供給を停止すべく、Ｓ２３へ進む。Ｓ１９又はＳ２０での判定でＮＯの場合は、Ｓ２１へ進む。
Ｓ２１では、負荷電力が発電電力である５００Ｗを超えたか否かを判定し、超えた場合は、Ｓ２２へ進み、超えた状態が５００ｍｓ継続したか否かを判定する。これらの判定の結果、５００Ｗを超えた状態が５００ｍｓ継続したときは、過負荷ゆえ電力供給を停止すべく、Ｓ２３へ進む。Ｓ２１又はＳ２２での判定でＮＯの場合は、Ｓ１２へ戻る。
Ｓ２３では、過負荷との判定に基づいて、自立出力リレー１６をオフにして、自立専用コンセント１７への電力供給を停止する。このとき５００Ｗ一定の発電は継続するので当然に大きな余剰電力を生じるが、余剰電力は全て余剰電力ヒータ９に供給して消費し、適宜熱利用する。
自立出力リレー１６をオフにすることで電力供給を停止する場合、リレーの動作には時間遅れがあるので、瞬時に電力供給を停止することは困難である。従って、瞬時に電力供給を停止することが求められる場合は、次のような手順で電力供給を停止する。
（１）ＤＣ／ＡＣインバータ４を停止する。
（２）ほぼ同時に自立出力リレー１６をオフにする。
（３）自立出力リレー１６がオフとなるタイミングでＤＣ／ＡＣインバータ４を再稼動する。
（４）余剰電力ヒータ９に余剰電力を供給する。
次のＳ２４では、Ｓ２３での電力供給停止から予め定めた一定時間、例えば３０秒経過したか否かを判定し、３０秒経過した時点で、Ｓ２５へ進んで電力供給を再開する。このときも発電電力は５００Ｗに固定して、外部負荷に電力を供給し、余剰電力は余剰電力ヒータ９により消費する設定とする。
尚、図３のフローチャートにおいては、Ｓ１１の部分が自立発電電力制御部及び余剰電力消費部に相当し、Ｓ１２〜Ｓ２５の部分が過負荷時制御部に相当する。
Ｓ１２〜Ｓ２５の過負荷時制御部に関しては、Ｓ１２の部分が負荷電力検出部、電流検出部及び電圧検出部に相当し、Ｓ１７、Ｓ１８、Ｓ１９、Ｓ２０、Ｓ２１、Ｓ２２及びＳ２３の部分が第１の電力供給停止部に相当し、Ｓ１５、Ｓ１６及びＳ２３の部分が第２の電力供給停止部に相当し、Ｓ１３、Ｓ１４及びＳ２３の部分が第３の電力供給停止部に相当する。また、Ｓ２３の部分は発電電力消費部を兼ねる。
図４及び図５は制御例を示している。ここでは、補機負荷電力を無視し、外部負荷電力と余剰ヒータ電力との総和が発電電力の５００Ｗになるように制御しているものとする。
図４の制御例１では、ｔ１のタイミングで負荷が投入され、突入電流により、外部負荷電力が一時的に７００Ｗを超えた例である。この場合には、数ｍｓの継続時間で電力供給が停止される設定のため、実際に外部負荷への電力供給が停止され、これに対応して発電電力（５００Ｗ）が余剰電力ヒータにより消費される。そして、電力供給の停止は３０秒間続き、３０秒経過時点で電力供給が再開されるも、再び過負荷と判定されて電力供給が停止されている。
これに対し、図５の制御例では、ｔ１のタイミングで負荷が投入され、突入電流により、外部負荷電力が一時的に５００Ｗを超えた例である。この場合には、比較的長い５００ｍｓの継続時間で電力供給が停止される設定のため、外部負荷への電力供給は停止されず、余剰分のみが余剰電力ヒータにて消費されている。これにより、自立運転時に作動させることができる電気製品を増やすことができる。
次に本発明の他の実施形態として図６及び図７の自立運転モードのフローチャートについて説明する。尚、図６及び図７のフローは、図３のフローのＳ１２の直後にＳ３０の判定を追加し、Ｓ１３、Ｓ１４の直後にＳ３１、Ｓ３２の判定を追加し、Ｓ１５、Ｓ１６の直後にＳ３３、Ｓ３４の判定を追加したものである。従って、図６及び図７のフローにおいて、図３のフローと同内容のステップには同一符号を付してある。
Ｓ１１では、発電電力を予め定めた一定電力、例えば５００Ｗに固定して、外部負荷に電力を供給し、余剰電力は余剰電力ヒータ９により消費する設定とする。
Ｓ１２では、電力計測器１２により負荷電力を計測し、電流計２１によりＤＣ／ＤＣコンバータ３の入力電流を検出し、電圧計２２によりＤＣ／ＤＣコンバータ３の出力電圧（昇圧電圧）を計測する。そして、Ｓ３０へ進む。
Ｓ３０では、負荷電力が発電電力である５００Ｗを超えたか否かを判定する。５００Ｗを超えていない場合は、電力供給を停止する必要はないと判断し、Ｓ１２の負荷計測を繰り返す。
５００Ｗを超えた場合は、電力供給を停止するか否かについてのより詳細な判定のため、Ｓ１３へ進む。
Ｓ１３では、ＤＣ／ＤＣコンバータ３の出力電圧（昇圧電圧）が３００Ｖより低下したか否かを判定し、低下した場合は、Ｓ１４へ進み、低下した状態が数ｍｓ継続したか否かを判定する。これらの判定の結果、３００Ｖより低下した状態が数ｍｓ継続したときは、過負荷ゆえ電力供給を停止すべく、Ｓ２３（図７）へ進む。Ｓ１３又はＳ１４での判定でＮＯの場合は、Ｓ３１へ進む。
Ｓ３１では、ＤＣ／ＤＣコンバータ３の出力電圧（昇圧電圧）が３５０Ｖより低下したか否かを判定し、低下した場合は、Ｓ３２へ進み、低下した状態が数１０ｍｓ継続したか否かを判定する。これらの判定の結果、３５０Ｖより低下した状態が数１０ｍｓ継続したときは、過負荷ゆえ電力供給を停止すべく、Ｓ２３へ進む。Ｓ３１又はＳ３２での判定でＮＯの場合は、Ｓ１５へ進む。
Ｓ１５では、ＤＣ／ＤＣコンバータ３の入力電流が５０Ａを超えたか否かを判定し、超えた場合は、Ｓ１６へ進み、超えた状態が数ｍｓ継続したか否かを判定する。これらの判定の結果、５０Ａを超えた状態が数ｍｓ継続したときは、過負荷ゆえ電力供給を停止すべく、Ｓ２３へ進む。Ｓ１５又はＳ１６での判定でＮＯの場合は、Ｓ３３へ進む。
Ｓ３３では、ＤＣ／ＤＣコンバータ３の入力電流が４０Ａを超えたか否かを判定し、超えた場合は、Ｓ３４へ進み、超えた状態が数１０ｍｓ継続したか否かを判定する。これらの判定の結果、４０Ａを超えた状態が数１０ｍｓ継続したときは、過負荷ゆえ電力供給を停止すべく、Ｓ２３へ進む。Ｓ３３又はＳ３４での判定でＮＯの場合は、Ｓ１７へ進む。
Ｓ１７では、負荷電力が７００Ｗを超えた（発電電力より２００Ｗ超過）か否かを判定し、超えた場合は、Ｓ１８へ進み、超えた状態が数ｍｓ継続したか否かを判定する。これらの判定の結果、７００Ｗを超えた状態が数ｍｓ継続したときは、過負荷ゆえ電力供給を停止すべく、Ｓ２３へ進む。Ｓ１７又はＳ１８での判定でＮＯの場合は、Ｓ１９へ進む。
Ｓ１９では、負荷電力が６００Ｗを超えた（発電電力より１００Ｗ超過）か否かを判定し、超えた場合は、Ｓ２０へ進み、超えた状態が１００ｍｓ継続したか否かを判定する。これらの判定の結果、６００Ｗを超えた状態が１００ｍｓ継続したときは、過負荷ゆえ電力供給を停止すべく、Ｓ２３へ進む。Ｓ１９又はＳ２０での判定でＮＯの場合は、Ｓ２１へ進む。
Ｓ２１では、負荷電力が発電電力である５００Ｗを超えたか否かを判定し、超えた場合は、Ｓ２２へ進み、超えた状態が５００ｍｓ継続したか否かを判定する。これらの判定の結果、５００Ｗを超えた状態が５００ｍｓ継続したときは、過負荷ゆえ電力供給を停止すべく、Ｓ２３へ進む。Ｓ２１又はＳ２２での判定でＮＯの場合は、Ｓ１２へ戻る。
尚、Ｓ１３、Ｓ３１、Ｓ１５、Ｓ３３、Ｓ１７、Ｓ１９、Ｓ２１の各判定でＹＥＳの場合、それぞれ、Ｓ１４、Ｓ３２、Ｓ１６、Ｓ３４、Ｓ１８、Ｓ２０、Ｓ２２の継続時間の判定へ進むが、例えばＳ１３の判定でＹＥＳの場合のＳ１４の継続時間の判定では、その時点での３００Ｖ未満の状態の継続時間が所定時間（数ｍｓ）に達しているか否かを判定し、未だ達していない場合は、すぐさま次のＳ３１の判定へ進む。従って、Ｓ１３、Ｓ３１、Ｓ１５、Ｓ３３、Ｓ１７、Ｓ１９、Ｓ２１の各判定は、ほとんど時間遅れなくなされ、実質的には並列処理となる。そして、Ｓ１２からの本ルーチンが繰り返されている間に、例えば３００Ｖ未満の状態が所定時間（数ｍｓ）継続すると、Ｓ１４での継続時間の判定でＹＥＳとなり、過負荷ゆえ電力供給を停止すべく、Ｓ２３へ進む。
Ｓ２３での電力供給停止の処理、その後のＳ２４、Ｓ２５での電力供給再開の処理については、図３のフローにて説明した通りであり、ここでの説明は省略する。
図６及び図７のフローのように、負荷電力に対する電力しきい値に加え、入力電流に対する電流しきい値、及び、昇圧電圧に対する電圧しきい値についても、段階的に複数設定し、対応する継続時間は、しきい値に応じて設定することによって、より適切な過負荷判定が可能となる。
また、各判定は実質的に時間遅れなく並列処理でなされ、過負荷状態を様々な視点からとらえて、速やかに対応することができる。
尚、上記の説明では、制御装置１００は、パワーコンディショナー２から独立して設けられているが、制御機能の一部をパワーコンディショナー２内のコントローラに分担させて、協働で運転を制御してもよい。あるいは、制御装置１００自体をパワーコンディショナー２の筐体内に収納配置するようにしてもよい。
また、上記の説明では、発電電力や、各種のしきい値、継続時間等について、数値を示して説明したが、これは理解を容易にするためであり、数値限定する趣旨ではない。
また、図示の実施形態はあくまで本発明を例示するものであり、本発明は、説明した実施形態により直接的に示されるものに加え、請求の範囲内で当業者によりなされる各種の改良・変更を包含するものであることは言うまでもない。
１ 固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）
２ パワーコンディショナー
３ ＤＣ／ＤＣコンバータ
４ ＤＣ／ＡＣインバータ
５ 系統連系リレー
６ 系統電源
７ 家庭内負荷
８ 補機
９ 余剰電力ヒータ（ＡＣヒータ）
１０ ソリッドステートリレー
１１ 電力計測器
１２ 電力計測器
１３ 外部電源
１４ 外部電源用ＤＣ／ＤＣコンバータ
１５ 自立起動リレー
１６ 自立出力リレー
１７ 自立専用コンセント
１８ 切換リレー
２０ 運転モード切換スイッチ
２１ 電流計
２２ 電圧計

Claims (11)

  1. 燃料と酸化剤との電気化学反応により発電する固体酸化物形燃料電池と、この燃料電池の出力側に設けられるパワーコンディショナーと、前記燃料電池及び前記パワーコンディショナーを制御し、系統電源との連系による系統連系運転と系統電源から解列しての自立運転とを切換可能な制御装置と、を備える、固体酸化物形燃料電池システムであって、
    前記パワーコンディショナーは、直流電力を交流電力に変換するインバータの出力側から自立運転時に外部負荷へ電力を供給する自立出力ラインと、該自立出力ラインを導通・遮断する自立出力リレーとを有し、
    前記制御装置は、自立運転時に負荷の大きさと継続時間とに基づいて過負荷状態を検出し、過負荷状態のときに、外部負荷への電力供給を停止する過負荷時制御部を備えるとともに、
    前記過負荷時制御部は、外部負荷への電力供給を停止するに際し、前記自立出力リレーへのオフ指令と同時又はこれに先立って前記インバータの作動を停止し、前記自立出力リレーのオフ後に前記インバータの作動を再開させる
    ことを特徴とする、固体酸化物形燃料電池システム。
  2. 前記過負荷時制御部は、
    自立運転時に負荷電力を検出する負荷電力検出部と、
    自立運転時の負荷電力が所定の電力しきい値を超えた状態が第１の所定時間以上継続したときに、外部負荷への電力供給を停止する第１の電力供給停止部と、
    を含んで構成されることを特徴とする、請求項１記載の固体酸化物形燃料電池システム。
  3. 前記電力しきい値は、段階的に複数設定され、
    前記第１の所定時間は、前記複数の電力しきい値のそれぞれに対応させて、前記電力しきい値が大きいほど短く設定されることを特徴とする、請求項２記載の固体酸化物形燃料電池システム。
  4. 前記過負荷時制御部は、
    自立運転時に前記パワーコンディショナーへの入力電流を検出する電流検出部と、
    前記入力電流が所定の電流しきい値を超えた状態が第２の所定時間以上継続したときに、外部負荷への電力供給を停止する第２の電力供給停止部と、
    を含んで構成されることを特徴とする、請求項１記載の固体酸化物形燃料電池システム。
  5. 前記電流しきい値は、段階的に複数設定され、
    前記第２の所定時間は、前記複数の電流しきい値のそれぞれに対応させて、前記電流しきい値が大きいほど短く設定されることを特徴とする、請求項４記載の固体酸化物形燃料電池システム。
  6. 前記過負荷時制御部は、
    自立運転時に前記パワーコンディショナーでの昇圧電圧を検出する電圧検出部と、
    前記昇圧電圧が所定の電圧しきい値より低下した状態が第３の所定時間以上継続したときに、外部負荷への電力供給を停止する第３の電力供給停止部と、
    を含んで構成されることを特徴とする、請求項１記載の固体酸化物形燃料電池システム。
  7. 前記電圧しきい値は、段階的に複数設定され、
    前記第３の所定時間は、前記複数の電圧しきい値のそれぞれに対応させて、前記電圧しきい値が小さいほど短く設定されることを特徴とする、請求項６記載の固体酸化物形燃料電池システム。
  8. 前記過負荷時制御部は、外部負荷への電力供給停止時に、前記燃料電池の発電電力を負荷装置により消費する発電電力消費部を含んで構成されることを特徴とする、請求項１記載の固体酸化物形燃料電池システム。
  9. 前記過負荷時制御部は、外部負荷への電力供給を予め定めた一定時間停止し、一定時間経過後に電力供給を再開することを特徴とする、請求項１記載の固体酸化物形燃料電池システム。
  10. 前記制御装置は、
    自立運転時に前記燃料電池の発電電力を予め定めた一定電力に制御する自立発電電力制御部と、
    自立運転時に負荷電力を超える余剰電力を負荷装置により消費する余剰電力消費部と、を備えることを特徴とする、請求項１記載の固体酸化物形燃料電池システム。
  11. 自立運転時の外部負荷への電力供給は、自立専用コンセントを介して行われることを特徴とする、請求項１記載の固体酸化物形燃料電池システム。
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