JP2015065009A - コージェネレーション装置 - Google Patents

Abstract

【課題】自立運転中の余剰電力を減らすことにより、無駄な電力消費の少ないコージェネレーション装置を提供する。【解決手段】電力系統３の停電時において、燃料電池１１を第１発電量で発電させ、その発電電力を用いて発電を継続させながら排熱回収装置１４と１以上の自立運転コンセント３５に電力を供給するとともに、余剰電力を余剰電力用ヒータ１６で消費させる自立運転機能を備えたコージェネレーション装置において、燃料電池の制御部１５は、自立運転コンセント３５から出力される合計の電流値が判定値以下の状態を所定時間継続したことを検知すると、燃料電池１１の発電量を、少なくとも、燃料電池１１の発電を継続させながら排熱回収運転を継続できる第２発電量まで低下させて、余剰電力を抑制する。【選択図】図１

Description

この発明はコージェネレーション装置に関し、より詳細には、電力系統の停電時に燃料電池が発電を継続する自立運転機能を備えたコージェネレーション装置に関する。

家庭向けのコージェネレーション装置である燃料電池式のコージェネレーション装置では、商用電源などの電力系統が停電したときでも燃料電池が発電を継続する自立運転機能を備えたものが提案されている（たとえば、特許文献１参照）。

このような自立運転機能を備えたコージェネレーション装置は、自立運転時に発電した電力を、燃料電池の発電継続に必要な電力（たとえば、燃料電池の補機や制御部の動作電力）として使用する他、停電時に使用可能な電力を供給する停電時用コンセント（自立運転コンセント）にも供給するように構成されている。そのため、電力系統の停電時に使用したい電気機器があるときは、当該電気機器を自立運転コンセントに接続することで、当該電気機器の使用が可能となる。

ところで、このようなコージェネレーション装置に用いられる燃料電池は、出力電力が急激に増加するとスタックの劣化を招くことから、自立運転コンセントへの電気機器の接続によってスタックが劣化しないように、自立運転中の発電量を一定（たとえば、３５０Ｗや７００Ｗ）に制御しており、自立運転コンセントで使用されない余剰電力があるときは、当該余剰電力を所定の電気負荷（たとえば、電気ヒータ）で消費させるように構成されている。

特許第３２９３４３３号公報

しかしながら、このような従来のコージェネレーション装置には以下のような問題があり、その改善が望まれていた。

すなわち、余剰電力を消費する電気負荷として電気ヒータを用いる場合、電気ヒータで発生した熱を温水生成に利用できる利点があるが、温水を貯留する貯湯タンク内の温水の温度がそれ以上の昇温を必要としない所定温度以上であるとき（いわゆる満蓄のとき）には、余剰電力の消費だけを目的として電気ヒータを動作させなければならず（たとえば、貯湯タンク内の温水をラジエータなどの冷却手段で冷却しながら電気ヒータを動作させねばならず）、無駄な電力を消費することとなっていた。

本発明は、このような従来の問題点に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、自立運転中の余剰電力を減らすことにより、無駄な電力消費の少ないコージェネレーション装置を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明の請求項１に記載のコージェネレーション装置は、燃料電池と、上記燃料電池の発電電力を電力系統に連系させるパワーコンディショナと、上記燃料電池の排熱を回収して温水を生成する排熱回収装置とを備えた発電ユニットと、貯湯タンクを備え、この貯湯タンクに上記排熱回収装置によって生成された温水を貯留する排熱回収運転機能と、当該貯湯タンク内の温水を給湯または熱交換の温水利用に提供する温水提供機能とを備えた貯湯ユニットとを備えてなり、上記発電ユニットは、上記電力系統の停電時において、上記燃料電池を所定の第１発電量で発電させ、その発電電力を用いて上記燃料電池の発電を継続させながら上記排熱回収装置と１以上の停電時用コンセントとに電力を供給するとともに余剰電力を所定の電気負荷で消費させる自立運転機能を備えたコージェネレーション装置において、上記発電ユニットの制御部は、上記１以上の停電時用コンセントから出力される合計の電流値を検出する電流検出手段を備え、上記自立運転中において、上記停電時用コンセントの合計の電流値が所定の判定値以下の状態を所定時間継続したことを検知すると、上記燃料電池の発電量を、少なくとも、上記燃料電池の発電を継続させながら上記排熱回収運転を継続できる所定の第２発電量まで低下させる第１動作モードを備えていることを特徴とする。

請求項１に記載のコージェネレーション装置は、自立運転時には、貯湯ユニットの電源プラグを停電時用コンセント（自立運転コンセント）に接続することを前提にしたコージェネレーション装置である。このコージェネレーション装置では、自立運転中に停電時用コンセントから出力される合計の電流値が所定の判定値以下の状態を所定時間継続すると、燃料電池の発電量が第１発電量よりも小さい第２発電量となる。したがって、たとえば、上記判定値として、停電時用コンセントの出力電流＋α（但し、α≧０）を用いることで、停電時用コンセントでの消費電力が少なく余剰電力が大きい状態が一定時間継続すると、燃料電池の発電量が第１発電量よりも小さい第２発電量に自動的に変更され、自立運転中における余剰電力が減少し、余剰電力の消費のみを目的とした電気負荷での電力消費が抑制される。

また、上記第２発電量は、少なくとも、燃料電池の発電を継続させながら排熱回収運転を継続できる発電量とされるので、燃料電池を第２発電量で発電させても燃料電池の発電と燃料電池の排熱回収は継続される。

本発明の請求項２に記載のコージェネレーション装置は、請求項１に記載のコージェネレーション装置において、上記発電ユニットの制御部は、上記貯湯ユニットの制御部との通信手段を備え、上記第２発電量で自立運転中に、上記通信手段を介して上記貯湯ユニットに対して上記温水提供機能の動作開始要求があったことを検知すると、上記燃料電池の発電量を上記第１発電量に復帰させる制御を実行するとともに、上記燃料電池の発電量が上記第１発電量に復帰するまでの間は、少なくとも１の上記停電時用コンセントへの電力供給を遮断させる制御構成を備えていることを特徴とする。

請求項２のコージェネレーション装置では、第２発電量で自立運転中に、貯湯ユニットに対して温水提供機能の動作要求（たとえば、温水暖房装置に対する温水供給の要求）があると、発電ユニットの制御部がそれを検知して、燃料電池の発電量を第１発電量に復帰させる。第１発電量への復帰にあたっては、燃料電池のスタックを劣化させないように発電量を徐々に増加させることになるので、発電ユニットの制御部は、燃料電池の発電量が第１発電量に到達するまでの間、停電時用コンセントへの電力供給を遮断して、発電量以上の電力が消費されるのを防止する。

ここで、この停電時用コンセントに対する電力供給の遮断は、少なくとも１の停電時用コンセントに対して行われればよいが、たとえば、すべての停電時用コンセントに対する電力供給を遮断したり、あるいは、貯湯ユニットの電源プラグ以外の電源プラグが接続された停電時用コンセントに対する電源供給を遮断するように構成してもよい。なお、このようにして行われる停電時用コンセントに対する電力供給の遮断は、燃料電池の発電量が第１発電量となった時点で解除される。つまり、燃料電池の発電量が第１発電量になると、停電時用コンセントへの電力供給が再開され停電時用コンセントが使用可能となる。

本発明の請求項３に記載のコージェネレーション装置は、請求項２に記載のコージェネレーション装置において、上記発電ユニットの制御部は、上記第２発電量で自立運転中に、上記貯湯ユニットに対する上記温水提供機能の動作開始要求を検知したときは、上記貯湯ユニットの制御部に対して当該動作開始要求に対応する温水提供機能の動作開始の保留を指示するとともに、上記燃料電池の発電量が当該温水提供機能を動作させることができる所定の第３発電量まで上昇したことを検知すると、上記貯湯ユニットの制御部に対する動作保留を解除する指示を行う制御構成を備えたことを特徴とする。

請求項３に記載のコージェネレーション装置では、燃料電池が第２発電量で発電しているときに、貯湯ユニットに対して温水提供機能の動作要求（たとえば、温水暖房装置に対する温水供給の要求）があると、発電ユニットの制御部がそれを検知して、動作開始要求のあった温水提供機能の動作開始の保留を貯湯ユニットの制御部に指示する。これにより、貯湯ユニットは当該温水提供機能を動作せずに待機するので、当該温水提供機能が直ちに動作することによって生じ得る燃料電池の出力電流の急激な上昇を回避することができ、燃料電池の劣化を防止することができる。そして、温水提供機能の動作を保留させた状態で、燃料電池の発電量を第１発電量に復帰させる制御が行われ、この制御に伴って、燃料電池の発電量が当該温水提供機能を動作させることができる第３発電量まで上昇すると、発電ユニットの制御部が、貯湯ユニットの制御部に対する動作保留を解除する。これにより、燃料電池の出力電流の急激な上昇を伴わずに当該温水提供機能を動作させることができる。

本発明の請求項４に記載のコージェネレーション装置は、請求項１から３のいずれかに記載のコージェネレーション装置において、上記発電ユニットの制御部は、上記パワーコンディショナへの入力電流値を検出する入力電流検出手段を備え、上記第２発電量で自立運転中に、パワーコンディショナへの入力電流値の増加を検知すると、上記燃料電池の発電量を上記第１発電量に復帰させる制御を実行するとともに、上記燃料電池の発電量が上記第１発電量に復帰するまでの間は、少なくとも１の停電時用コンセントへの電力供給を遮断させることを特徴とする。

請求項４に記載のコージェネレーション装置では、第２発電量で自立運転中に、パワーコンディショナへの入力電流値が増加すると、発電ユニットの制御部が燃料電池の発電量を第１発電量に復帰させるので、第２発電量で自立運転中においても停電時用コンセントに新たな電気機器を接続することができる。なお、この場合においても、燃料電池の発電量が上記第１発電量に復帰するまでは停電時用コンセントへの電力供給を遮断するのは請求項２のコージェネレーション装置と同様である。

本発明の請求項５に記載のコージェネレーション装置は、請求項２から４のいずれかに記載のコージェネレーション装置において、上記発電ユニットの制御部は、少なくとも１の停電時用コンセントへの電力供給を遮断させたときには、当該電力供給の遮断を外部に報知する報知手段を備えていることを特徴とする。

請求項５に記載のコージェネレーション装置では、発電ユニットの制御部が停電時用コンセントへの電力供給を遮断させると、その旨が報知手段を通じて報知されるので、ユーザは報知手段による報知を確認することで、停電時用コンセントが使用できないことを認識することができる。

本発明の請求項６に記載のコージェネレーション装置は、請求項２から５のいずれかに記載のコージェネレーション装置において、上記発電ユニットの制御部は、上記第２発電量で自立運転中において、上記燃料電池の発電量を上記第１発電量に復帰させる制御を実行した後に上記燃料電池の発電量が上記第１発電量に復帰したことを検知したときは、第１発電量への復帰を外部に報知する報知手段を備えていることを特徴とする。

請求項６に記載のコージェネレーション装置では、燃料電池の発電量が第２発電量から第１発電量に復帰すると、その旨が報知手段を通じて報知されるので、ユーザは報知手段による報知を確認することで、停電時用コンセントが使用可能となったことを認識することができる。

本発明の請求項７に記載のコージェネレーション装置は、請求項１から６のいずれかに記載のコージェネレーション装置において、上記発電ユニットの制御部は、上記自立運転中における上記燃料電池の発電量を上記第１発電量に固定する第２動作モードを備えており、所定の操作手段の操作に応じて上記第１動作モードと上記第２動作モードとが選択可能に構成されていることを特徴とする。

請求項７に記載のコージェネレーション装置では、自立運転中の燃料電池の発電量を第１発電量に固定するか、第２発電量への低下を許容するかをユーザが選択することができる。すなわち、余剰電力の低減を優先する場合は第２発電量への低下を許容する第１動作モードを選択し、停電時用コンセントの使用を優先する場合には第１発電量に固定する第２動作モードを選択することで、ユーザの希望に応じた仕様のコージェネレーション装置を提供することができる。

本発明によれば、燃料電池が自立運転中に、停電時用コンセントの合計の電流値が所定の判定値以下の状態が所定時間継続すると、燃料電池の発電量が第１発電量から、少なくとも燃料電池の発電を継続させながら排熱回収運転を継続できる第２発電量まで低下するので、たとえば、貯湯ユニットの温水提供機能が未使用の状態が継続したときなどに生じる余剰電力の発生が低減され、余剰電力消費のための無駄な電力消費が抑制される。

本発明に係るコージェネレーション装置の概略構成を示すブロック図である。 同コージェネレーション装置における発電ユニットと貯湯ユニットの電気的接続の概要を示す回路図である。 同コージェネレーション装置において、燃料電池が自立運転中であるときの燃料電池ユニットの制御部の処理手順の一例を示すフローチャートである。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
実施形態１
図１は、本発明に係るコージェネレーション装置の概略構成を示している。図１に示すように、本発明に係るコージェネレーション装置は、発電部として燃料電池（Fuel Cell）を備えた燃料電池式のコージェネレーション装置であって、発電ユニット１と給湯ユニット２を主要部として構成されている。

発電ユニット１は、発電部を構成する燃料電池を備えたユニットであって、燃料電池１１と、燃料電池１１の補機１２と、燃料電池１１で発電された直流電力を交流電力に変換するパワーコンディショナ１３と、燃料電池１１の排熱を回収して温水を生成する排熱回収部１４と、発電ユニット１の制御部（以下、「ＦＣ制御部」と称する）１５とを主要部として構成されるとともに、本実施形態に示す発電ユニット１では、燃料電池１１で発電された電力のうち電気機器などで消費されない余剰電力を消費するための余剰電力用ヒータ（所定の電気負荷）１６が備えられている。

燃料電池１１は、周知のとおり、水素と酸素の電気化学反応によって得られる電気エネルギを直流電力として取り出す装置であって、本実施形態ではこの燃料電池１１として、固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）を用いている。なお、燃料電池１１としては、固体酸化物型燃料電池以外の形式の燃料電池、たとえば、固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）を用いることも可能である。

補機１２は、燃料電池１１を動作させるための周辺機器で構成される。補機１２の構成は公知であるので詳細な説明は省略するが、補機１２には、たとえば、天然ガスから水素（水素リッチガス）を生成する燃料処理装置、酸素（空気）を供給する空気供給装置などが含まれる他、補機１２に動作電力を供給する補機用の電源部が含まれている。なお、この補機用の電源部は、電源線４５を介して後述するパワーコンディショナのＤＣリンク部から電力供給を受けるようになっている。すなわち、補機用の電源部は図示しない降圧回路を備えて構成され、この降圧回路を介してＤＣリンク部から直流電力の供給を受けるようになっている。

パワーコンディショナ１３は、燃料電池１１で発電された直流電力を電力系統３に連系可能な交流電力に変換する系統連系インバータ装置であって、図２に示すように、ＤＣ／ＤＣコンバータ３１と、ＤＣ／ＡＣインバータ３２と、系統連系リレー３３と、パワーコンディショナ１３の制御部（以下、「ＰＣ制御部」と称する）３４とを主要部として備える他、本実施形態に示すパワーコンディショナ１３では、これらの基本的な構成に加えて、電力系統３の停電時に使用する自立運転コンセント（停電時用コンセント）３５が備えられている。

ＤＣ／ＤＣコンバータ３１は、燃料電池１１から電源線４１を介して供給される直流電力を所定の電圧に昇圧する公知のコンバータ回路で構成されており、この回路によって燃料電池１１から供給される直流電圧がＤＣ３５０Ｖ程度の電圧に昇圧される。

ＤＣ／ＡＣインバータ３２は、ＤＣ／ＤＣコンバータ３１から電源線４２を介して供給される直流電力を交流電力に変換する公知のインバータ回路で構成されており、この回路によってＤＣ／ＤＣコンバータ３１から供給される直流電力が電力系統３に連系可能な周波数の交流電力（たとえば、単相交流１００／２００Ｖ）に変換される。なお、ＤＣ／ＤＣコンバータ３１とＤＣ／ＡＣインバータ３２との間には、図示しないＤＣリンクコンデンサ（ＤＣリンク部）が挿入されている。

系統連系リレー３３は、ＤＣ／ＡＣインバータ３２と電力系統３とを接続する電源線４３に介装される解列用のスイッチであって、系統連系リレー３３の接点を開放することによってＤＣ／ＡＣインバータ３２と電力系統３との連系が解列できるようになっている。

ＰＣ制御部３４は、パワーコンディショナ１３の各部を制御するための制御装置であって、このＰＣ制御部３４によって、パワーコンディショナ１３から出力される交流電力の周波数や電圧の調整が行われる。具体的には、このＰＣ制御部３４には、図示しない各種センサ類（たとえば、電圧センサや電流センサなど）が接続されており、これらセンサ類から得られた情報に基づいてＤＣ／ＤＣコンバータ３１やＤＣ／ＡＣインバータ３２の動作制御が行われるようになっている。

また、このＰＣ制御部３４は、上記センサ類から得られる情報に基づいて電力系統３の停電を検知できるようになっており、電力系統３の停電を検知したときには自動的に系統連系リレー３３の接点を開放して連系を解列するようになっている。

また、このＰＣ制御部３４は、通信線６１を介してＦＣ制御部１５と通信接続されており、ＦＣ制御部１５と情報を共有したり、ＦＣ制御部１５からの指示を受けたり、ＦＣ制御部１５に対して指示を行ったりできるようになっている。

なお、ＰＣ制御部３４は、ＤＣ／ＤＣコンバータ３１とＤＣ／ＡＣインバータ３２との間のＤＣリンク部から電源線４４を介して動作用の電力供給を受けるようになっている。すなわち、ＰＣ制御部３４も上述した補機用の電源部と同様に図示しない降圧回路を備えて構成され、この降圧回路を介してＤＣリンク部から動作用の直流電力の供給を受けるようになっている。

自立運転コンセント３５は、電力系統３の停電時に燃料電池１１で発電された電力を電気機器に供給するためのコンセントであって、本実施形態に示すパワーコンディショナ１３では、この自立運転コンセント３５として複数（図２では３５ａ，３５ｂに示す２個）のコンセントが備えられている。各自立運転コンセント３５ａ，３５ｂは、電源線４７ａ，４７ｂを介してそれぞれＤＣ／ＡＣインバータ３２の交流出力部と接続されており、ＤＣ／ＡＣインバータ３２から所定の交流電力（たとえば、単相交流１００Ｖ）が供給されるようになっている。

また、各電源線４７ａ，４７ｂには、それぞれＰＣ制御部３４によって独立して制御されるスイッチ３６ａ，３６ｂが備えられており、このスイッチ３６ａ，３６ｂの接点を開放することによってＤＣ／ＡＣインバータ３２から自立運転コンセント３５ａ，３５ｂへの電力供給を遮断できるようになっている。なお、このスイッチ３６ａ，３６ｂは機械的な接点に限らず半導体による電気的な接点で構成されていてもよい。

排熱回収部１４は、燃料電池１１の電気化学反応によって発生する排熱を回収して温水を生成する排熱回収装置であって、この排熱回収部１４には、後述する貯湯ユニット２に備えられる貯湯タンク２１との間で温水を循環させる排熱回収用の配管４が接続されている。配管４には配管内の温水を強制循環させるポンプ１７が備えられており、このポンプ１７を動作させることによって排熱回収部１４と貯湯タンク２１との間で温水が強制循環されるようになっている。なお、本実施形態では、この循環ポンプ１７を排熱回収部１４の一部として発電ユニット１側に配置した場合を示したが、排熱回収部１４とは独立の構成として貯湯ユニット２側に備えるようにしてもよい。その場合、循環ポンプ１７は貯湯ユニット２の電源部２３から電力供給を受けて動作するように構成される。

ＦＣ制御部１５は、発電ユニット１の各部を制御するための制御装置であって、このＦＣ制御部１５によって、燃料電池１１の発電量の調整が行われる。具体的には、このＦＣ制御部１５には、図示しない各種センサ類（たとえば、電圧センサや電流センサなど）が接続されており、これらセンサ類から得られた情報に基づいて燃料電池１１および補機１２を制御し、燃料電池１１があらかじめ設定された所定の発電量（たとえば、３５０Ｗまたは７００Ｗ、この発電量を「第１発電量」と称する）で発電を継続するようにしている。

また、ＦＣ制御部１５は、上述したように、通信線（通信手段）６１を介してＰＣ制御部３４と通信接続されており、ＰＣ制御部３４と情報の共有や指示のやり取りを行うように構成されている他、通信線６２を介して、後述する貯湯ユニット２の制御部２２とも通信接続されており、タンク制御部２２とも情報を共有したり、タンク制御部２２からの指示を受けたり、タンク制御部２２に対して指示を行ったりできるようになっている。

余剰電力用ヒータ１６は、燃料電池１１で発電された電力のうちの余剰電力を消費するための電気ヒータである。この余剰電力用ヒータ１６は、上記配管４の周囲に配置されており、余剰電力によって電気ヒータを動作させたときに生じる熱を配管４内を循環する温水で回収（温水の加熱に利用）できるように構成されている。

この余剰電力用ヒータ１６は、図２に示すように、電源線４６を介してパワーコンディショナ１３のＤＣリンク部と接続されており、ＤＣリンク部から電力供給を受けて動作するようになっている。電源線４６には、信号線６３（図１参照）を介してＰＣ制御部３４によって制御されるヒータ用のスイッチ３７（たとえば、ＦＥＴで構成される。）が備えられており、燃料電池１１で発電された電力に余剰電力があるときには、ＰＣ制御部２４がこのスイッチ３７の接点を閉成させて余剰電力用ヒータ１６を動作させるように構成されている。

なお、本実施形態では、余剰電力を消費させる電気負荷として余剰電力用ヒータ（電気ヒータ）を使用した場合を示したが、余剰電力の消費に使用する電気負荷は電気ヒータに限られず適宜変更可能である。

一方、貯湯ユニット２は、貯湯タンク２１を備えたユニットであって、貯湯タンク２１に排熱回収部１４で生成された温水を貯留する排熱回収運転機能と、貯湯タンク２１内に貯留した温水を給湯や熱交換のために提供する温水提供機能とを備えている。すなわち、貯湯タンク２１に貯留された温水は、周知のとおり、給湯栓（シャワーやミスト発生装置を含む）に供給する温水として、あるいは、温水暖房器の熱交換器や風呂追い焚き用の熱交換器の熱媒体などとして提供されるようになっている。なお、この温水提供機能の具体的な構成（給湯機能、風呂追い焚き機能、温水暖房機能等の組み合わせ）は適宜変更可能である。

そして、この貯湯ユニット２は、このような温水提供機能を実現するために、貯湯タンク２１と、貯湯ユニット２の各部を制御する制御部（以下、「タンク制御部」と称する）２２と、貯湯ユニット２の各部に動作用の電力を供給する電源部（以下、「タンク電源部」と称する）２３と、貯湯タンク２１内の温水を冷却するための冷却部２４とを主要部として備えている。なお、図示例では、補助熱源機を図示していないが、貯湯ユニット２には、貯湯タンク２１内の温水を加熱昇温させるための補助熱源機が備えられていてもよい。

貯湯タンク２１は、内部に温水を貯留するタンクで構成されており、貯湯タンク２１の上部および下部には上記配管４が接続されている。すなわち、上記排熱回収部１４で熱回収後の温水が配管４を通って貯湯タンク２１の上部に供給され、貯湯タンク２１の下層に貯留する低温の温水が配管４を通って排熱回収部１４に供給されるように構成されている。

そして、これに関連して、貯湯タンク２１の下部に接続された配管４には冷却部２４が備えられており、所定の条件を満たす場合に、貯湯タンク２１から流出する温水を冷却するようになっている。すなわち、この冷却部２４は、貯湯タンク２１内の温水の温度が所定温度以上である（貯湯タンク２１がいわゆる満蓄状態にある）ときに、燃料電池１１による発電を継続させる必要が生じると動作するように構成されている。なお、この冷却部２４は、図示しない電動ファンを備えたラジエータなどで構成されている。

タンク制御部２２は、貯湯ユニット２の各部を制御するための制御装置であって、このタンク制御部２２によって、上述した温水提供機能に関連する制御が行われる。すなわち、このタンク制御部２２には、図示しない各種センサ類（たとえば、貯湯タンク２１内の温水の温度を検出する温度センサや給湯栓が開かれたときの水流を検出する水量センサなど）が接続されており、これらセンサ類から得られた情報や後述するリモコン５から得られる情報に基づいて、貯湯タンク２１内の温水を出湯させたり、あるいは、補助熱源機を動作させたりする制御を行うようになっている。また、上述した冷却部２４の動作制御もタンク制御部２２によって行われる。

また、タンク制御部２２は、上述したように、通信線６２を介してＦＣ制御部１５と通信接続されており、ＦＣ制御部１５と情報の共有や指示のやり取りを行うように構成されている他、通信線５４を介して、後述するリモコン５とも通信接続されており、リモコン５と情報を共有したり、リモコン５からの指示を受けたり、リモコン５に対して指示を行ったりできるように構成されている。

タンク電源部２３は、貯湯ユニット２の各部に動作用の電力を供給する電源装置であって、このタンク電源部２３は交流電力（たとえば、ＡＣ１００Ｖ）の電力供給を受けて冷却部２４や補助熱源機などに動作用の電力を供給するように構成されている。ここで、このタンク電源部２３に交流電力を供給するための電源プラグ２５は、電力系統３が停電していないときは電力系統３から電力供給を受ける電源コンセント２６（図２参照）に接続され、電力系統３が停電し、燃料電池１１が自立発電（自立運転）を行っているときには、自立運転コンセント３５に接続して自立運転コンセント３５から電力供給を受けるようになっている。

本実施形態では、電源プラグ２５の接続は、図１に示すように、自立／系統切替部６を用いて行われている。自立／系統切替部６は、内部に接続先を自動または手動で切り替える切替スイッチ（図示せず）を備えて構成されており、電力系統３が停電していないときは切替スイッチを電力系統３側に接続して電源プラグ２５が電力系統３に接続されるようにする一方、電力系統３が停電しているときには切替スイッチを自立運転コンセント３５（図示例では３５ａ）側に接続して電源プラグ２５が自立運転コンセント３５ａに接続されるようになっている。

リモコン５は、発電ユニット１および貯湯ユニット２を遠隔制御するための操作装置である。このリモコン５は、図２に示すように、操作部５１と、表示部５２、制御部（以下、「リモコン制御部」と称する）５３とを主要部として備えている。

操作部（操作手段）５１は、発電ユニット１および貯湯ユニット２に対する遠隔操作を入力するための各種操作スイッチ（たとえば、押しボタン式のスイッチや十字キー式のスイッチなど）で構成されており、この操作部５１で操作された内容はリモコン制御部５３によって解析されるようになっている。

表示部（報知手段）５２は、操作部５１での操作内容を表示したり、発電ユニット１および貯湯ユニット２の状態などを表示する表示装置で構成されている。この表示部５２としては、たとえば、文字や図形の表示が可能な液晶ディスプレイなどが使用される。

リモコン制御部５３は、リモコン５の各部を制御するための制御装置であって、このリモコン制御部５３によって、操作部５１の操作内容の解析や表示部５２の表示制御などが行われる。また、リモコン制御部５３は、上述したように、通信線５４を介してタンク制御部２２と通信接続されており、タンク制御部２２と情報の共有や指示のやり取りを行うように構成されている。なお、リモコン５とタンク制御部２２とが通信接続されることにより、リモコン制御部５３、タンク制御部２２、ＦＣ制御部１５およびＰＣ制御部３４は、直接又は間接的に相互に情報の共有や指示のやり取りができるようになっている。

次に、このように構成されたコージェネレーション装置の動作について説明する。
本発明に係るコージェネレーション装置は、電力系統３が停電していない状態のときは、公知のコージェネレーション装置と同様に系統連系を行う。すなわち、ＦＣ制御部１５は、燃料電池１１を第１発電量で発電させるとともに、系統連系リレー３３の接点を閉成させて、パワーコンディショナ１３で交流に変換された燃料電池１１からの電力を電力系統３に連系させる。

これに対して、電力系統３が停電すると、ＰＣ制御部３４は電力系統３の停電を検知して、系統連系リレー３３の接点を開放させて系統との連系を解列し、燃料電池１１の自立運転を開始させる。このとき、ＰＣ制御部３４は、電力系統３が停電したことをＦＣ制御部１５に伝達し、電力系統３の停電情報をＦＣ制御部１５と共有する。ＦＣ制御部１５は、自立運転の前後において、燃料電池１１の発電量をそのまま維持する。つまり、自立運転の開始当初、ＦＣ制御部１５は、燃料電池１１の発電量を上述した第１発電量としたままで燃料電池１１の発電を継続させる。

自立運転が開始されると、次に、ＰＣ制御部３４は、スイッチ３６ａ，３６ｂの接点を閉成させて、ＤＣ／ＡＣインバータ３２から自立運転コンセント３５ａ，３５ｂに対して交流電力が供給されるようにする。これにより、自立運転コンセント３５が使用可能な状態となる。なお、本実施形態では、貯湯ユニット２の電源プラグ２５は、自立／系統切替部６を介して自立運転コンセント３５に接続されていることから、自立運転コンセント３５に電力が供給されると、タンク電源部２３には自立運転コンセント３５ａを介して燃料電池１１で発電された電力が供給される。

そして、本実施形態に示すコージェネレーション装置では、このように燃料電池１１が自立運転を行っている状態で、後述する一定の条件が満たされると、ＦＣ制御部１５は、燃料電池１１の発電量を上記第１発電量よりも小さい所定の第２発電量に変更する制御を実行する。

ここで、燃料電池１１の発電量を第２発電量に変更する一定条件は、複数の自立運転コンセント３５の合計の電流値が、所定の判定値Ｘ以下の状態で所定時間Ｔが継続したことを条件とする。なお、自立運転コンセント３５の合計の電流値は、パワーコンディショナ１３に備えられる出力電流検出用の電流センサ（図示せず）の検出値に基づいてＦＣ制御部１５が演算する。すなわち、ここではＦＣ制御部１５が自立運転コンセント３５の合計の電流値を検出する電流検出手段として用いられている。

そして、上記判定値Ｘは、自立運転コンセント３５での消費電力が少ないときの出力電流値、たとえば、自立運転コンセント３５に貯湯ユニット２のみが接続された状態において、貯湯ユニット２の温水提供機能が使用されていない（つまり、貯湯ユニット２が待機状態にある）ときの自立運転コンセント３５の出力電流値Ｉout＋α（但し、α≧０）が用いられる。

ここで、判定値Ｘとして、貯湯ユニット２が待機状態にあるときの自立運転コンセント３５の出力電流値Ｉout＋αを用いるのは、自立運転コンセント３５に貯湯ユニット２しか接続されておらず、かつ、貯湯ユニット２が待機状態にあるときに、余剰電力がほぼ最大となるとみなせるからである。なお、この判定値Ｘにおけるαは出力電流値Ｉoutの変動を考慮して設定されるマージンであり、適宜設定される。

また、上記所定時間Ｔは適宜設定される。この所定時間Ｔが長すぎると長時間にわたって余剰電力ヒータ１６で電力が消費されることになるので、あまり長すぎない時間、たとえば、１０分〜３０分程度に設定される。なお、この所定時間Ｔの設定は、あらかじめ設定した固定値とすることもできるが、リモコン５の操作部５１を用いてユーザが設定できるように構成することも可能である。

また、上記第２発電量は、上記第１発電量未満で、かつ、少なくとも、燃料電池１１の発電を継続させながら排熱回収運転を継続できる発電量以上の発電量とされる。本実施形態では、この第２発電量は、燃料電池１１の発電を継続させながら排熱回収運転を継続できる最低限の発電量に加えて、貯湯ユニット２を待機状態で動作させるのに必要な最低限の電力を加算した値が用いられる。すなわち、本実施形態では、第２発電量で自立運転中に、燃料電池１１の自立運転と、排熱回収部１４による排熱回収運転とに加えて、貯湯ユニット２を待機状態に維持することができるようにするためである。

このように、本実施形態に示すコージェネレーション装置では、燃料電池１１の自立運転中に、複数の自立運転コンセント３５の合計の電流値が所定の判定値Ｘ以下の状態で所定時間Ｔが継続したことをＦＣ制御部１５が検知すると、ＦＣ制御部１５は、燃料電池１１の発電量を第１発電量から第２発電量に低下させるので、自立運転中における余剰電力が減少し、余剰電力の消費のみを目的とした余剰電力用ヒータ１６での電力消費が抑制される。なお、このように燃料電池１１の自立運転中に一定の条件が満たされると燃料電池１１の発電量を第２発電量に低下させることを許容するＦＣ制御部１５の動作を「第１動作モード」と称する。

そして、このように構成されたコージェネレーション装置は、リモコン５において、燃料電池１１を第１発電量で運転させる操作、あるいは、貯湯ユニット２に対して温水提供機能の動作開始要求（たとえば、温水暖房器の暖房運転開始要求）操作が行われ、これらの指示がタンク制御部２２に受け付けられると、ＦＣ制御部１５は、当該指示をタンク制御部２２が受け付けたことを検知して、燃料電池１１の発電量を第１発電量に復帰させる制御を実行するとともに、燃料電池１１の発電量が第１発電量に復帰するまでの間、自立運転用コンセント３５への電力供給を遮断させる制御を実行する。

ここで、燃料電池１１の発電量を第１発電量に復帰させる制御は、急激な出力電力の増加によって燃料電池１１を劣化させないように、燃料電池１１の発電量を徐々に増加させて行う。したがって、第２発電量から第１発電量に復帰するまでには一定時間を要する。そのため、ＦＣ制御部１５は、燃料電池１１の発電量が第１発電量に到達するまでの間、ＰＣ制御部３４に対して電源線４７に備えられたスイッチ３６の接点を開放させる指示を出して、自立運転コンセント３５への電力供給を遮断する。

なお、この電力供給の遮断は、すべての自立運転コンセント３５ａ，３５ｂに対して行うように構成することも可能であるが、本実施形態では、貯湯ユニット２の電源プラグ２５が接続される自立運転コンセント３５ａを除く他の自立運転コンセント３５ｂに対して行われる。すなわち、ここでの自立運転コンセント３５に対する電力供給の遮断は、未だ第１発電量に至らない段階で自立運転コンセント３５に電気機器が接続されることによって燃料電池１１の出力電力が急激に増加するのを防止するためであり、したがって、燃料電池１１の出力電力の急激な増加のおそれがなければ、ここでの電力供給の遮断は、少なくとも１以上の自立運転コンセント３５に対して行われれば足りる。

そして、ＦＣ制御部１５は、このように自立運転コンセント３５に対する電力供給の遮断を行った場合、自立運転コンセント３５への電力供給を遮断している旨を外部に報知する。すなわち、本実施形態では、ＦＣ制御部１５は、タンク制御部２２を介してリモコン５の表示部５２に自立運転コンセント３５への電力供給を遮断している旨を表示させる。

そして、ＦＣ制御部１５は、燃料電池１１の発電量が第１発電量に復帰したこと検知すると、自立運転コンセント３５に対する電力供給の遮断を解除するとともに、燃料電池１１の発電量が第１発電量に復帰した旨を外部に報知する。すなわち、ＦＣ制御部１５は、ＰＣ制御部３４に対してスイッチ３６の接点を閉成させる指示を出すとともに、タンク制御部２２を介してリモコン５の表示部５２に自立運転コンセント３５が使用可能になったことを表示させる。

図３は、上述した自立運転中におけるＦＣ制御部１５の処理手順を示すフローチャートである。このフローチャートに基づいてＦＣ制御部１５の処理手順を整理すると、自立運転を開始したＦＣ制御部１５は、燃料電池１１の発電量が第２発電量であるか否か（発電量抑制中であるか否か）を判断する（図３ステップＳ１参照）。

自立運転が開始された当初は、燃料電池１１は第１発電量で自立運転を行っているので、図３ステップＳ１の判断は否定的となるので、ＦＣ制御部１５は図３ステップＳ５に移行して、自立運転スイッチ３５の合計の電流値Ｉoutが所定時間Ｔ継続して判定値Ｘ以下であるか否かを判断する。

そして、この判断が肯定的であれば、ＦＣ制御部１５は、燃料電池１１の発電量を第２発電量に低下させて燃料電池１１の発電量を抑制する（図３ステップＳ６参照）。

これに対して、図３ステップＳ５の判断が否定的であれば、ＦＣ制御部１５は、燃料電池１１の発電量が上昇中であるか、すなわち、第２発電量から第１発電量に復帰途中であるか否かを判断する（図３ステップＳ７参照）。

そして、図３ステップＳ７の判断が否定的であれば、自立運転コンセント３５で電力が使用されているとみなして処理を終了し、図３ステップＳ１に復帰する。一方、図３ステップＳ７の判断が肯定的であれば、燃料電池１１の発電量が第１発電量（定格電力）まで上昇したか否かを判断し、第１発電量まで上昇していればスイッチ３６を閉じて自立運転コンセント３５への電力供給を開始する（図３ステップＳ９参照）。

また、図３ステップＳ１の判断が肯定的であるときは、図３ステップＳ２に移行して、ＦＣ制御部１５は、第１発電量での発電を再開させる指示があったか否か、すなわち、リモコン５で燃料電池１１を第１発電量で運転させる操作、あるいは、温水提供機能の動作開始要求の操作があったか否かを判断し、この判断が肯定的であれば、自立運転コンセント３５への電力供給を停止させる（図３ステップＳ３参照）。

そして、この自立運転コンセント３５に対する電力供給の停止と併せて、ＦＣ制御部１５は、燃料電池１１の発電量の抑制を解除する。すなわち、ＦＣ制御部１５は、燃料電池１１の発電量を第２発電量から第１発電量に復帰させる制御を行う（図３ステップＳ４参照）。

次に、本発明の第２の実施形態について説明する。
この第２の実施形態は、上述した実施形態１に示すコージェネレーション装置において、燃料電池１１が第２発電量で自立運転中に、ＦＣ制御部１５が貯湯ユニット２に対する温水提供機能の動作開始要求を検知したときの動作を追加したものであり、その他の構成は上述した実施形態１に示すコージェネレーション装置同様である。したがって、構成が共通する部分については同一の符号を付して説明を省略する。

この第２の実施形態に示すコージェネレーション装置は、燃料電池１１が第２発電量で自立運転中に、ＦＣ制御部１５が貯湯ユニット２に対する温水提供機能の動作開始要求を検知すると、ＦＣ制御部１５は、タンク制御部２２に対して当該動作開始要求に対応する温水提供機能の動作開始の保留を指示するとともに、燃料電池１１の発電量が当該温水提供機能を動作させることができる所定の第３発電量まで上昇したときに、タンク制御部２２に対する動作保留の解除を指示するように構成されている。

すなわち、上述した実施形態１に示すコージェネレーション装置では、燃料電池１１が第２発電量で自立運転中に、ＦＣ制御部１５が貯湯ユニット２に対する温水提供機能の動作開始要求を検知すると、ＦＣ制御部１５は、燃料電池１１の発電量を第１発電量に復帰させる制御と、自立運転用コンセント３５への電力供給を遮断させる制御を実行するようになっているが、実施形態１では、電力供給の遮断は、貯湯ユニット２が接続される自立運転コンセント３５ａ以外の自立運転コンセント３５ｂに対して行われるため、直ちに動作開始要求に対応した温水提供機能が動作を開始すると、その動作開始に伴って燃料電池１１に急激な出力電流の増加が発生するおそれがあった。

そのため、本実施形態に示すコージェネレーション装置では、温水提供機能の動作開始要求を検知したＦＣ制御部１５は、タンク制御部２２に対して当該動作開始要求に対応する温水提供機能の動作開始の保留を指示することで、燃料電池１１に急激な出力電流の増加が発生するのを回避している。

そして、燃料電池１１の発電量が当該温水提供機能の動作が可能な第３発電量まで上昇した時点で、ＦＣ制御部１５は、タンク制御部２２に対して指示した動作保留を解除する。これにより、貯湯ユニット２が温水提供機能を動作させても燃料電池１１の出力電流が急激に上昇することはない。

ここで、第３発電量は、動作開始要求の内容（具体的には、給湯機能だけのように単一の機能についての動作要求か、給湯機能と温水暖房機能のように複数の機能についての動作要求か、さらには、いかなる機能についての動作要求であるかなど）によって相違する。したがって、この第３発電量は、あらかじめ温水提供機能の組み合わに応じて既定値をＦＣ制御部１５に記憶させておき、一定周期で定期的に燃料電池１１の発電量とこの既定値とを比較して、燃料電池１１の発電量が第３発電量まで上昇したかを判断する。

実施形態３
次に、本発明の第３の実施形態について説明する。
この第３の実施形態は、自立運転中の燃料電池１１の発電量を第２発電量から第１発電量に復帰させる条件を追加したものであって、その他の構成は上述した実施形態１または実施形態２に示すコージェネレーション装置同様である。したがって、構成が共通する部分については同一の符号を付して説明を省略する。

この実施形態３に示すコージェネレーション装置では、燃料電池１１が第２発電量で自立運転しているときに、自立運転コンセント３５に新たに電気機器が接続された場合にも、燃料電池１１の発電量が第２発電量から第１発電量に復帰するように構成されている。

具体的には、この実施形態３に示すコージェネレーション装置では、ＦＣ制御部１５が、パワーコンディショナ１３への入力電流を監視するように構成され、燃料電池１１が第２発電量で自立運転しているときに、パワーコンディショナ１３への入力電流値の増加が検知されると、ＦＣ制御部１５は、燃料電池１１の発電量を第１発電量に復帰させるように構成されている。すなわち、自立運転コンセント３５に新たな電気機器が接続されると、それに伴って燃料電池１１の出力電流値（つまり、パワーコンディショナ１３への入力電流値）が増加するので、ＦＣ制御部１５は、この入力電流値の増加から自立運転コンセント３５への新たな電気機器の接続を検出するようにされている。

本実施形態において、パワーコンディショナ１３への入力電流値を検出する入力電流検出手段には、パワーコンディショナ１３に備えられる入力電流検出用の電流センサ（図示せず）が用いられる。そして、ＦＣ制御部１５は、この電流センサの検出値をＰＣ制御部３４から受け取って、上述した制御を行う。

なお、本実施形態において、燃料電池１１の発電量が第２発電量から第１発電量に復帰するまでの間、自立運転コンセント３５への電力供給を遮断させるのは、上述した実施形態１および実施形態２と同様である。

実施形態４
次に、本発明の第４の実施形態について説明する。
この第４の実施形態は、上述した実施形態１乃至３に示すコージェネレーション装置を改変したものであって、このコージェネレーション装置では、自立運転中における燃料電池１１の発電量を第１発電量に固定する、つまり、発電量の抑制を行わない第２動作モードをＦＣ制御部１５に備えさせており、リモコン５の操作部５１の所定操作に応じて、自立運転中に上記第１動作モードで動作するか、それとも第２動作モードで動作するかをユーザが選択できるように構成している。なお、その他の構成は上述した実施形態１乃至３に示すコージェネレーション装置同様である。したがって、構成が共通する部分については同一の符号を付して説明を省略する。

なお、上述した実施形態は本発明の好適な実施態様を示すものであって、本発明はこれに限定されることなく発明の範囲内で種々の設計変更が可能である。

たとえば、上述した実施形態では、燃料電池１１の発電量に関する制御をすべてＦＣ制御部１５で行うように構成した場合を示したが、これらの制御はＰＣ制御部３４と分担して行うように構成することも可能である。すなわち、ＰＣ制御部３４によって本発明の発電ユニットの制御部を構成することもできる。

また、上述した実施形態では、コージェネレーション装置が発電ユニット１と貯湯ユニット２の２つのユニットで構成される場合を示したが、たとえば、発電ユニット１と貯湯ユニット２を一体に構成してもよいし、貯湯ユニット２が貯湯タンク２１を備えるユニットと補助熱源機を備えるユニットの２つのユニットで構成されていてもよい。

また、上述した実施形態では、コージェネレーション装置は、発電部として燃料電池１１を備える燃料電池式のコージェネレーション装置を示したが、自立運転機能を備えるコージェネレーション装置であれば他の形式、たとえば、ガスエンジン式のコージェネレーション装置にも本発明は適用可能である。また、上述した実施形態では、自立運転コンセント３５を２個備えるコージェネレーション装置を示したが、自立運転コンセント３５は少なくとも１以上設けられていればよく、自立運転コンセント３５を１個のみ備えるコージェネレーション装置にも本発明は適用可能である。

１ 発電ユニット
２ 貯湯ユニット
３ 電力系統
５ リモコン
１１ 燃料電池
１２ 補機
１３ パワーコンディショナ
１４ 排熱回収部（排熱回収装置）
１５ 燃料電池の制御部（ＦＣ制御部）
１６ 余剰電力用ヒータ（電気負荷）
３１ ＤＣ／ＤＣコンバータ
３２ ＤＣ／ＡＣインバータ
３３ 系統連系リレー
３４ パワーコンディショナの制御部（ＰＣ制御部）
３５ 自立運転コンセント（停電時用コンセント）
５１ リモコンの操作部（操作手段）
５２ リモコンの表示部（報知手段）

Claims (7)

1. 燃料電池と、前記燃料電池の発電電力を電力系統に連系させるパワーコンディショナと、前記燃料電池の排熱を回収して温水を生成する排熱回収装置とを備えた発電ユニットと、
   貯湯タンクを備え、この貯湯タンクに前記排熱回収装置によって生成された温水を貯留する排熱回収運転機能と、当該貯湯タンク内の温水を給湯または熱交換の温水利用に提供する温水提供機能とを備えた貯湯ユニットとを備えてなり、
   前記発電ユニットは、前記電力系統の停電時において、前記燃料電池を所定の第１発電量で発電させ、その発電電力を用いて前記燃料電池の発電を継続させながら前記排熱回収装置と１以上の停電時用コンセントとに電力を供給するとともに余剰電力を所定の電気負荷で消費させる自立運転機能を備えたコージェネレーション装置において、
   前記発電ユニットの制御部は、前記１以上の停電時用コンセントから出力される合計の電流値を検出する電流検出手段を備え、前記自立運転中において、前記停電時用コンセントの合計の電流値が所定の判定値以下の状態を所定時間継続したことを検知すると、前記燃料電池の発電量を、少なくとも、前記燃料電池の発電を継続させながら前記排熱回収運転を継続できる所定の第２発電量まで低下させる第１動作モードを備えていることを特徴とするコージェネレーション装置。
2. 前記発電ユニットの制御部は、前記貯湯ユニットの制御部との通信手段を備え、前記第２発電量で自立運転中に、前記通信手段を介して前記貯湯ユニットに対して前記温水提供機能の動作開始要求があったことを検知すると、前記燃料電池の発電量を前記第１発電量に復帰させる制御を実行するとともに、前記燃料電池の発電量が前記第１発電量に復帰するまでの間は、少なくとも１の前記停電時用コンセントへの電力供給を遮断させる制御構成を備えていることを特徴とする請求項１に記載のコージェネレーション装置。
3. 前記発電ユニットの制御部は、前記第２発電量で自立運転中に、前記貯湯ユニットに対する前記温水提供機能の動作開始要求を検知したときは、前記貯湯ユニットの制御部に対して当該動作開始要求に対応する温水提供機能の動作開始の保留を指示するとともに、前記燃料電池の発電量が当該温水提供機能を動作させることができる所定の第３発電量まで上昇したことを検知すると、前記貯湯ユニットの制御部に対する動作保留を解除する指示を行う制御構成を備えたことを特徴とする請求項２に記載のコージェネレーション装置。
4. 前記発電ユニットの制御部は、前記パワーコンディショナへの入力電流値を検出する入力電流検出手段を備え、前記第２発電量で自立運転中に、パワーコンディショナへの入力電流値の増加を検知すると、前記燃料電池の発電量を前記第１発電量に復帰させる制御を実行するとともに、前記燃料電池の発電量が前記第１発電量に復帰するまでの間は、少なくとも１の停電時用コンセントへの電力供給を遮断させることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のコージェネレーション装置。
5. 前記発電ユニットの制御部は、少なくとも１の停電時用コンセントへの電力供給を遮断させたときには、当該電力供給の遮断を外部に報知する報知手段を備えていることを特徴とする請求項２から４のいずれかに記載のコージェネレーション装置。
6. 前記発電ユニットの制御部は、前記第２発電量で自立運転中において、前記燃料電池の発電量を前記第１発電量に復帰させる制御を実行した後に前記燃料電池の発電量が前記第１発電量に復帰したことを検知したときは、第１発電量への復帰を外部に報知する報知手段を備えていることを特徴とする請求項２から５のいずれかに記載のコージェネレーション装置。
7. 前記発電ユニットの制御部は、前記自立運転中における前記燃料電池の発電量を前記第１発電量に固定する第２動作モードを備えており、所定の操作手段の操作に応じて前記第１動作モードと前記第２動作モードとが選択可能に構成されていることを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載のコージェネレーション装置。

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