JP5217748B2 - 燃料電池発電装置 - Google Patents

Description

本発明は燃料電池発電装置の電源供給構成に関するものである。

従来、この種の燃料電池発電装置は、総合効率を向上するために、発電時には燃料電池の直流出力電力を直流電圧変換のみ行い補機に供給しているものがある（例えば特許文献１参照）。

図１０は、上記従来の燃料電池発電装置の構成図である。

図１０に示すように、燃料電池発電装置１は、家庭内に設置されている分電盤２を介して商用交流３と接続されている。また、分電盤２と燃料電池発電装置１の間には、エアコン、冷蔵庫などの家庭内負荷４が接続されている。

また、燃料電池発電装置１は、燃料ガスと酸化剤ガスとを用いて発電を行う燃料電池５と、燃料電池５の出力を直流から交流に変換するインバータ６と、燃料電池発電装置１の起動、発電、終了、停止の一連の動作を制御する制御手段７と、都市ガスなどの原料を水蒸気改質し水素を主成分とする燃料ガスを生成する改質器８と、酸化剤ガスである空気を燃料電池５に供給するための送風機９と、燃料電池５が発電する際に発生した熱を回収し、温水として蓄える貯湯槽１０とで構成されている。

また、改質器８や、貯湯槽１０にはガスや水を、配管を通して供給／遮断するための弁や、ポンプなどの補機１１が付随して備えられている。また、補機１１を駆動するための電源は、燃料電池５の出力をＤＣ／ＤＣコンバータ１２で直流電圧変換して供給されている。従って、発電時に、インバータ６を介して直流交流変換した後に補機１１に電力供給するものに比較し、上記ＤＣ／ＤＣコンバータ１２で直流電圧変換して直接供給すれば、変換ロスを削減し、燃料電池発電装置１の総合効率を向上させることが出来るというものである。
特開２００３−１９７２３４号公報

燃料電池発電装置１には、発電以外に、起動、終了、停止といった動作状態が存在する。起動は、改質器８にて燃料ガスの生成が安定して行われるようにする動作であり、終了は逆に改質器８での燃料ガスの生成を停止し、燃料電池５が発電不可能な状態で安定的に保たれるようにする動作であり、それぞれ約１時間程度の時間を要する。

また、発電時に発生した熱を蓄える貯湯槽１０の容量に限りがあること、ユーザーのお湯の使用状況が一定でないことなどの理由により、燃料電池発電装置１を常に発電状態にできるとは限らない。

例えば、お湯の使用量が少ない夏場などは、発電を５、６時間しか行えない日も多々発生する。この場合、非発電である起動、終了、停止の時間は商用交流３よりＡＣ／ＤＣコンバータ（図示せず）を介して補機１１へ電源供給を行わなければならない。

つまり、上記従来の構成では、動作時間の半分以上を占める起動、終了、停止の３つの状態に対して、燃料電池発電装置１の総合効率を向上させることができないという課題を有していた。

本発明は、上記従来技術の課題に鑑み、燃料電池発電装置の総合効率を向上することを目的とするものである。

この目的を達成するために本発明は、発電ブロックと、この発電ブロックに電源を供給する電源ブロックと、前記発電ブロックと前記電源ブロックの動作制御を行う制御手段とを備え、前記発電ブロックは、炭化水素系原料ガスと水から水素を主成分とする燃料ガスを生成する水素生成器と、この水素生成器からの燃料ガスと酸化剤ガスとを反応させて発電を行うスタックと、このスタックからの直流電力を交流電力に変換するインバータとを有し、前記電源ブロックは、前記制御手段と前記発電ブロック中の小容量電力機器に電力を供給する小容量電源と、前記発電ブロック中の大容量電力機器に電力を供給する大容量電源とを有し、前記小容量電源は、商用交流を第一の所定電圧に変換する小容量ＡＣ／ＤＣコンバータと、前記スタックからの出力を第二の所定電圧に変換する小容量ＤＣ／ＤＣコンバータと、前記小容量ＡＣ／ＤＣコンバータと前記小容量ＤＣ／ＤＣコンバータの出力電圧の低い側に所定の電力を消費する小容量電力消費手段と、前記発電ブロックの起動および終了および停止している時には前記第一の所定電圧を前記発電ブロックの小容量電力機器に出力し、発電している時には前記第二の所定電圧を前記発電ブロックの前記小容量電力機器に出力する小容量切換え手段とを有し、前記大容量電源は、前記商用交流を第三の所定電圧に変換する大容量ＡＣ／ＤＣコンバータと、前記発電ブロックが起動および終了している時には前記第三の所定電圧を前記発電ブロックの大容量電力機器に出力し、発電している時には前記スタックの出力を前記発電ブロックの前記大容量電力機器に出力し、停止している時には、前記発電ブロックの前記大容量電力機器への出力を停止する大容量切換え手段と、を有し、前記発電ブロックが停止している時にも電力が供給される前
記小容量電力機器には、ガス漏れ検知センサが含まれるように構成されている、ことを特徴とするものである。

これにより、上記目的を達成することができる。

つまり、本発明では、停止時には小容量電源のみを用いて、また起動、発電、終了時には小容量電源と大容量電源を用いて作動用電源の供給を行うことができる。また、小容量電源と大容量電源は発電時にはスタックで発電した直流電力を供給元として作動用電源を供給することができる。また、電力供給元の切換えに際しても制御手段への電源供給を寸断することなく、安定供給を継続できる。

そして、この結果として、燃料電池発電装置の安定動作を確保した上で総合効率の向上を実現することができるのである。

本発明の燃料電池発電装置は、必要な電力が小さい停止時には小容量電源のみを用いて発電ブロックの小容量電力機器に電力供給を行い、また必要な電力が大きい起動、発電、終了時には小容量電源と大容量電源を用いて発電ブロックの小容量電力機器と大容量電力機器への作動用電力を供給するので、小容量電源および大容量電源の電源効率を容量に応じて最適化することができ、その結果として燃料電池発電装置の総合効率を向上させることができる。

また、小容量電源と大容量電源は発電時にはスタックで発電した直流電力を供給元として作動用電源を供給するので、スタックの発電電力を直流交流変換するものに比べ、電力変換時のロスを抑えることが出来、この点からも燃料電池発電装置の総合効率を向上させることができる。

また、小容量切換え手段による小容量ＡＣ／ＤＣコンバータと小容量ＤＣ／ＤＣコンバータの出力切換えに際しても、出力していないコンバータも小容量電力消費手段により常に電力を消費することで出力準備状態を保つことができるので、商用交流とスタックという電力供給元の切換えに際しても、小容量電源から制御手段への電源供給が寸断されることなく、燃料電池発電装置の安定動作を実現することができる。

第１の発明は、発電ブロックと、この発電ブロックに電源を供給する電源ブロックと、発電ブロックと電源ブロックの動作制御を行う制御手段とを備え、発電ブロックは、炭化水素系原料ガスと水から水素を主成分とする燃料ガスを生成する水素生成器と、この水素生成器からの燃料ガスと酸化剤ガスとを反応させて発電を行うスタックと、このスタックからの直流電力を交流電力に変換するインバータとを有し、電源ブロックは、制御手段と発電ブロック中の小容量電力機器に電力を供給する小容量電源と、発電ブロック中の大容量電力機器に電力を供給する大容量電源とを有し、小容量電源は、商用交流を第一の所定電圧に変換する小容量ＡＣ／ＤＣコンバータと、スタックからの出力を第二の所定電圧に変換する小容量ＤＣ／ＤＣコンバータと、小容量ＡＣ／ＤＣコンバータと小容量ＤＣ／ＤＣコンバータの出力電圧の低い側に所定の電力を消費する小容量電力消費手段と、発電ブロックの起動および終了および停止している時には前記第一の所定電圧を発電ブロックの小容量電力機器に出力し、発電している時には第二の所定電圧を発電ブロックの小容量電力機器に出力する小容量切換え手段とを有し、大容量電源は、商用交流を第三の所定電圧に変換する大容量ＡＣ／ＤＣコンバータと、発電ブロックが起動および終了している時には第三の所定電圧を発電ブロックの大容量電力機器に出力し、発電している時にはスタックの出力を発電ブロックの大容量電力機器に出力し、停止している時には、発電ブロックの大容量電力機器への出力を停止する大容量切換え手段と、を有し、前記発電ブロックが停止している時にも電力が供給される前記小容量電力機器には、ガス漏れ検知センサが含まれるように構成されている、構成としたものである。

つまり、本発明では、本発明の燃料電池発電装置は、必要な電力が小さい停止時には小容量電源のみを用いて制御手段と発電ブロックの小容量電力機器に電力供給を行い、また必要な電力が大きい起動、発電、終了時には小容量電源と大容量電源を用いて発電ブロックの小容量電力機器と大容量電力機器への作動用電力を供給するので、小容量電源および大容量電源の電源効率を容量に応じて最適化することができ、その結果として燃料電池発電装置の総合効率を向上させることができる。

また、小容量電源と大容量電源は発電時にはスタックで発電した直流電力を供給元として作動用電源を供給するので、スタックの発電電力を直流交流変換するものに比べ、電力変換時のロスを抑えることが出来、この点からも燃料電池発電装置の総合効率を向上させることができる。

また、小容量ＡＣ／ＤＣコンバータと小容量ＤＣ／ＤＣコンバータのうち出力電圧が低い方についても、小容量電力消費手段により常に電力を消費することによって出力準備状態を保っているので、商用交流とスタックという電力供給元の切換えに際しても、小容量電源から制御手段への電源供給が寸断されることなく、安定供給が継続され、その結果として燃料電池発電装置の安定動作を実現することができる。

第２の発明は、特に、第１の発明の大容量電源が、大容量切換え手段の出力を第四の所定電圧に変換する大容量ＤＣ／ＤＣコンバータを有するものであり、大容量電源の出力電圧を所定電圧に安定的に保つことができるので、大容量電源を作動電源として動作する大容量電力機器（例えば弁、ポンプ等）の入力電圧範囲に対する条件が緩和され、その結果この大容量電力機器（例えば弁、ポンプ等）の選定が容易となり、燃料電池発電装置のコストを低減することができる。

第３の発明は、特に第１または第２の発明の小容量切換え手段および大容量切換え手段の少なくともいずれか一方を半導体素子で構成するので、小容量ＡＣ／ＤＣコンバータと小容量ＤＣ／ＤＣコンバータのお互いの出力、もしくは大容量ＡＣ／ＤＣコンバータとスタックのお互いの出力が逆流するのを防ぐことができ、この結果としてこれら小容量ＡＣ／ＤＣコンバータ、小容量ＤＣ／ＤＣコンバータ、大容量ＡＣ／ＤＣコンバータ、スタックの損傷および劣化を防止することができる。

第４の発明は、特に第３の発明の小容量電源を、第一の所定電圧が第二の所定電圧より低くなるように構成し、小容量切換え手段をダイオードのＯＲ回路で構成するので、発電が行われてスタックの出力電圧が上昇し、小容量ＤＣ／ＤＣコンバータが動作すると自動的に第二の所定電圧が出力されるように小容量切換え手段が動作し、電源の供給元を商用交流とスタックで切換える動作を、電源の寸断なく安定かつ自動的に行うことができる。

第５の発明は、特に第１〜４のいずれかの発明の小容量電力消費手段をＯＮ／ＯＦＦするスイッチを備えたので、小容量電力消費手段を不必要な時はＯＦＦすることができ、小電力消費手段における不要な電力消費を抑えて、燃料電池発電装置の総合効率を向上させることができる。

第６の発明は、特に第５の発明のスイッチが第一の所定電圧と第二の所定電圧の切換えタイミング前の一定期間ＯＮするので、小容量ＡＣ／ＤＣコンバータおよび小容量ＤＣ／ＤＣコンバータの出力準備のために小容量電力消費手段で消費する電力を必要最小限に抑えるので、燃料電池発電装置の総合効率を向上させることができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
図１は本発明の第１の実施の形態における燃料電池発電装置の構成図である。

図１に示すように、燃料電池発電装置１０１は、家庭内に設置されている分電盤１０２を介して商用交流１０３と接続されている。また、分電盤１０２と燃料電池発電装置１０１の間には、エアコン、冷蔵庫などの家庭内負荷１０４が接続されている。

燃料電池発電装置１０１は、実際の発電動作を行う発電ブロック１０５と、その発電ブロック１０５が動作するための電源を供給する電源ブロック１０６とから構成されている。

発電ブロック１０５は、燃料ガスと酸化剤ガスとを用いて発電を行うスタック１０７と、スタック１０７の出力直流電力を交流電力に変換するインバータ１０８と、燃料電池発電装置１０１（つまり発電ブロック１０５と、その発電ブロック１０５が動作するための電源を供給する電源ブロック１０６）の起動、発電、終了、停止の一連の動作を制御する制御手段１０９と、都市ガスなどの原料を水蒸気改質し水素を主成分とする燃料ガスを生成する水素生成器１１０と、酸化剤ガスである空気をスタック１０７に供給するための送風機１１１と、スタック１０７が発電する際に発生した熱を回収し、温水として貯湯槽１１２に蓄える廃熱回収手段１１３で構成されている。

また、水素生成器１１０、送風機１１１や廃熱回収手段１１３は、ガスや水の流路を切換える弁や、水素生成器の温度を昇温させるヒータなどのアクチュエータ１１４、ガスや水の流路の温度、流量などを計測するセンサ１１５から構成されている。

電源ブロック１０６は、小容量電源１１６と大容量電源１１７の独立した２つの電源で構成されている。小容量電源１１６、大容量電源１１７ともに商用交流１０３とスタック１０７を入力として直流電圧を生成し、入力を任意に切換えながら発電ブロック１０５に電力供給できるように構成されている。

小容量電源１１６は、燃料電池発電装置１０１に入力された商用交流１０３を小容量ＡＣ／ＤＣコンバータ１１８で所定の直流電圧へと変換して小容量切換え手段１２０に入力するように、また、スタック１０７の出力電圧を小容量ＤＣ／ＤＣコンバータ１１９で所定の直流電圧へと変換して、小容量切換え手段１２０に入力するように構成されている。

ここで小容量切換え手段１２０はダイオードのＯＲ回路で構成されており、小容量ＡＣ／ＤＣコンバータ１１８と小容量ＤＣ／ＤＣコンバータ１１９から入力される電圧の内、高い方を選択的に切換えながら発電ブロック１０５に電力を供給する。

また、小容量電源１１６は発電ブロック１０５内の制御手段１０９と燃料電池発電装置１０１の状態監視を行うガス漏れ検知センサなどの数種類のセンサ（これらガス漏れ検知センサなどの数種類のセンサを本実施の形態では、小容量電力機器と称する）を動作させるために必要な電源であり、比較的小さな電源容量で構成するのが好適である。

本実施の形態では小容量電源１１６の電源容量は１０Ｗとし、小容量ＡＣ／ＤＣコンバータ１１８の出力電圧を１２Ｖ、小容量ＤＣ／ＤＣコンバータ１１９の出力電圧を１４Ｖとして構成している。

また、小容量ＡＣ／ＤＣコンバータ１１８の出力段には、小容量電力消費手段１２１も合わせて接続されている。ここで、一般的なコンバータの動作において、入力電圧・電流が十分な状態であっても、出力側の負荷が急激に変動するとその変動に応答できず、出力電圧が不安定になることがある。特に、出力側の負荷が０の状態から急激に立ち上がる場合には、出力電圧がほぼ０まで低下することもある。

これを解決するために、コンバータの出力負荷を完全に０にせず、微量な負荷を与える必要がある。そこで、小容量ＡＣ／ＤＣコンバータ１１８の出力段には、出力準備状態を維持するのに必要な負荷を与えるために、小容量電力消費手段１２１を接続している。負荷の大きさとしては、小容量ＡＣ／ＤＣコンバータ１１８の特性に応じて決定する必要があるが、消費電力の観点からできる限り小さくする方が好ましい。本実施の形態では、小容量電力消費手段は１ｋΩの抵抗で構成し、１２ｍＷの電力消費とする。

続いて大容量電源１１７の構成について説明する。

商用交流１０３が大容量ＡＣ／ＤＣコンバータ１２２へ入力され、所定の直流電圧へと変換された後に大容量切換え手段１２３に入力されるように構成されている。また、大容量切換え手段１２３には合わせてスタック１０７の出力電圧が直接入力されるように構成されている。

ここで大容量切換え手段１２３はダイオードのＯＲ回路で構成されており、大容量ＡＣ／ＤＣコンバータ１２２とスタック１０７からの入力される電圧の内、高い方を選択的に切換えながら大容量ＤＣ／ＤＣコンバータ１２４を介して発電ブロック１０５に電源を供給する。

この大容量電源１１７は発電ブロック１０５内のアクチュエータ１１４やセンサ１１５（これらアクチュエータ１１４やセンサ１１５を本実施の形態では、大容量電力機器と称する）の駆動電源であり、先の小容量電源１１６に比べ大きな電力供給が必要である。また、アクチュエータ１１４、センサ１１５の電源電圧としては１２Ｖ、２４Ｖといった電圧が一般的である。そこで、本実施の形態では、大容量電源１１７の電源容量を１００Ｗとし、大容量ＡＣ／ＤＣコンバータ１２２の出力電圧を１５Ｖ、大容量ＤＣ／ＤＣコンバータ１２４の出力電圧を２４Ｖとして構成している。

以上のように構成された燃料電池発電装置１０１において、以下その動作、作用を説明する。

燃料電池発電装置１０１の動作は、大きく起動、発電、終了、停止といった４つの制御状態に分けることができる。

起動は発電ブロック１０５を発電可能な状態にする工程であり、発電はスタック１０７より電力が出力されている状態である。

終了は、発電ブロック１０５を発電不可能な状態にする工程であり、停止は燃料電池発電装置１０１の状態を監視しながら、次の発電指示を待っている状態である。

燃料電池発電装置１０１は、先に述べた４つの制御状態をあらかじめプログラムされたタイミングで遷移させながら適切に発電動作を行っている。なお、ここで、プログラムされたタイミングが利用者の家庭内負荷１０４の利用状況に応じて適宜更新されるような学習機能を持っていれば、利用者が頻繁に使用する時間帯をあらかじめ予測し、その時間帯のみ発電が行われるように制御状態を遷移させるので、より効率よく発電を行うことができるので好適である。また、遷移のタイミングは利用者による操作であってもよい。

まず、起動について説明をする。

発電ブロック１０５が発電出力可能となるためには、燃料ガスの生成などの準備動作が必要であり、例えば、都市ガスなどの原料から水素を主成分とした燃料ガスを生成するといった動作である。具体的には、水素生成器１１０に付随して備えられた温度センサや流量センサの計測値を取込ながらヒータやファンなどのアクチュエータ１１４に対してフィードバック制御を行い、水素生成器１１０の温度を約６００〜７００度まで昇温させて都市ガスを水蒸気改質して燃料ガスを生成する。

起動の工程が十分に進行し、燃料ガスが安定的に生成されるようになるとスタック１０７による発電へと移行する。スタック１０７は電解質膜を挟んでアノード電極とカソード電極が構成されたセルが複数積層して構成されている。このアノード電極側に燃料ガスを、カソード電極側に酸化剤である空気を供給することによって、スタック１０７にて化学反応による発電が行われる。

スタック１０７より出力された直流電力はインバータ１０８によって交流電力に変換され、家庭内負荷１０４に供給される。また、スタック１０７には廃熱回収手段１１３に接続された冷却水の循環経路が構成されている。廃熱回収手段１１３に付随して備えられたポンプなどのアクチュエータ１１４を制御して化学反応時に発生する熱を熱交換によって回収し、貯湯槽１１２に温水として蓄える。

続いて、終了について説明する。

弁を閉じて都市ガスの供給を遮断し、水素生成器１１０での燃料ガス生成を停止する。そして水素生成器１１０に備えられたファンを駆動し、都市ガスの改質が行われない温度まで水素生成器１１０を冷却する。また、発電ブロック１０５の劣化を防止するために、スタック１０７、水素生成器１１０やガス経路等を不活性ガスでパージする。

終了の工程が十分に行われ、発電ブロック１０５が安定的に発電不可能な状態で保たれると、アクチュエータ１１４の動作を停止して、次回の発電タイミングに備える。また、この停止中もガス漏れ検知センサ等で燃料電池発電装置１０１の安全状態を監視し、異常が発生した場合にはユーザーへの報知を行うなど所定の異常処理を行う。

また、発電を除く、起動、終了、停止の３つの状態では、燃料電池発電装置１０１から交流電力は出力されないので、家庭内負荷１０４の電力は商用交流１０３から供給されて動作することになる。

以上のような動作をする燃料電池発電装置１０１について、電源ブロック１０６から発電ブロック１０５への電源供給について、詳細の動作、作用を説明する。

燃料電池発電装置１０１が設置されると、分電盤１０２を介して商用交流１０３が燃料電池発電装置１０１の電源ブロック１０６へ入力される。

小容量電源１１６に入力された商用交流１０３は、小容量ＡＣ／ＤＣコンバータ１１８により直流電圧１２Ｖへ変換され、小容量切換え手段１２０を介して発電ブロック１０５へ供給される。直流電圧１２Ｖが供給されると制御手段１０９が動作を開始し、先に述べた４つの状態に応じて燃料電池発電装置１０１を制御する。

以下、状態毎に電源ブロック１０６の動作を図２と図３を用いて説明する。図２は小容量電源１１６の動作フローチャートであり、図３は大容量電源１１７の動作フローチャートである。

まず、停止時の小容量電源１１６の動作を説明する。

商用交流１０３が入力されたと判断すると（Ｓ１０１）、商用交流１０３は小容量ＡＣ／ＤＣコンバータ１１８で直流電圧１２Ｖに変換されて（Ｓ１０２）、小容量切換え手段１２０に入力される。

なお、商用交流１０３が入力されていない場合は（Ｓ１０１）、小容量ＡＣ／ＤＣコンバータ１１８は停止状態となる（Ｓ１０３）。

また、発電が行われていないのでスタック１０７からの出力はなく、小容量ＤＣ／ＤＣコンバータ１１９は動作しない（Ｓ１０７）。その結果、小容量切換え手段１２０の入力に対して「小容量ＡＣ／ＤＣコンバータの出力電圧（１２Ｖ）＞小容量ＤＣ／ＤＣコンバータの出力電圧（０Ｖ）」の関係が成立する。

小容量切換え手段１２０は二つの入力電圧の内、高い方を発電ブロック１０５へ供給するので、商用交流１０３を供給元として小容量ＡＣ／ＤＣコンバータ１１８より直流電圧１２Ｖが、発電ブロック１０５へと供給される（Ｓ１０８、Ｓ１０９）。

ここで、小容量切換え手段１２０は二つの入力をダイオードによるＯＲ回路で合流させる構成としているので、入力電圧の高低が変われば自動的に入力元を切換えて電源供給を行うことができる。

また、この時、電圧の高い小容量ＡＣ／ＤＣコンバータ１１８の出力から、電圧の低い小容量ＤＣ／ＤＣコンバータ１１９の出力へ電流が流れ込むのをダイオードによって防いでいる。またここで、小容量ＡＣ／ＤＣコンバータ１１８は、小容量電力消費手段１２１にも電力供給を行っている（Ｓ１０４）。

停止時の大容量電源１１７も同様に、商用交流１０３が入力されたと判断すると（Ｓ２０１）、商用交流１０３は大容量ＡＣ／ＤＣコンバータ１２２で直流電圧１５Ｖに変換されて（Ｓ２０２）、大容量切換え手段１２３に入力される。

なお、商用交流１０３が入力されていない場合は（Ｓ２０１）、大容量ＡＣ／ＤＣコンバータ１２２は停止状態となる（Ｓ２０３）。

また、発電が行われていないのでスタック１０７からの出力はなく、その結果、大容量切換え手段１２３の入力に対して「大容量ＡＣ／ＤＣコンバータ１２２の出力電圧（１５Ｖ）＞スタック１０７の出力電圧（０Ｖ）」の関係が成立する。

ここで、大容量切換え手段１２３も、小容量切換え手段１２０と同様に二つの入力ダイオードのＯＲか色で合流させる構成としているので、入力電圧の高低による入力元の自動切換え、および出力電圧の高い方から低い方への電流の流れ込みを防止することができ、その結果、商用交流１０３を供給元として大容量ＡＣ／ＤＣコンバータ１２２の出力電圧を大容量ＤＣ／ＤＣコンバータ１２４を介して発電ブロック１０５へ直流電圧２４Ｖとして供給する（Ｓ２０４，Ｓ２０５）。

なお、発電中「大容量ＡＣ／ＤＣコンバータ１２２の出力電圧≦スタック１０７の出力電圧」の関係が成立した場合は（Ｓ２０４）、スタック１０７の出力電圧を大容量ＤＣ／ＤＣコンバータ１２４を介して発電ブロック１０５へ供給する（Ｓ２０６）。

続いて、起動時の小容量電源１１６の動作を説明する。

停止時と同様にスタック１０７からの入力が無いため、小容量ＡＣ／ＤＣコンバータ１１８の直流出力電圧１２Ｖを発電ブロック１０５と小容量電力消費手段１２１へ継続して供給し続ける（Ｓ１０４，Ｓ１０９）。

起動時の大容量電源１１７も同様に、スタック１０７からの入力が無いため大容量ＡＣ／ＤＣコンバータ１２２の直流出力電圧を大容量ＤＣ／ＤＣコンバータ１２４を介して直流電圧２４Ｖとして発電ブロック１０５へ継続して供給し続ける（Ｓ２０５）。

続いて、発電時の小容量電源１１６の動作を説明する。

発電が行われスタック１０７からの出力電圧が上昇し、小容量ＤＣ／ＤＣコンバータ１１９の動作可能下限電圧である１３Ｖを上回ると（Ｓ１０５）、小容量ＤＣ／ＤＣコンバータ１１９が動作して、直流電圧１４Ｖを出力する（Ｓ１０６）。

すると、小容量切換え手段１２０は「小容量ＡＣ／ＤＣコンバータ１１８の出力電圧（１２Ｖ）＜小容量ＤＣ／ＤＣコンバータ１１９の出力電圧（１４Ｖ）」の関係より、スタック１０７の出力電圧を供給元として、直流電圧１４Ｖを発電ブロック１０５へ供給するように動作を切換える（Ｓ１０８，Ｓ１１０）。ただし、小容量ＡＣ／ＤＣコンバータ１１８から小容量電力消費手段１２１への電力供給は継続される（Ｓ１０４）。

一方、発電時の大容量電源１１７は、スタック１０７の出力電圧が上昇して１５Ｖを上回ると、「大容量ＡＣ／ＤＣコンバータ１２２の出力電圧（１５Ｖ）＜スタック１０７の出力電圧（１５Ｖ以上）」の関係が成立するので、ダイオードのＯＲ回路で構成された大容量切換え手段１２３は自動的にスタック１０７の出力電圧を大容量ＤＣ／ＤＣコンバータ１２４を介して発電ブロック１０５へ直流電圧２４Ｖとして供給するように動作を切換える（Ｓ２０４，Ｓ２０６）。

続いて、終了時の小容量電源１１６の動作を説明する。

発電が停止してスタック１０７の出力電圧が徐々に低下して小容量ＤＣ／ＤＣコンバータ１１９の動作可能下限電圧１３Ｖを下回ると（Ｓ１０５）、小容量ＤＣ／ＤＣコンバータ１１９が停止する（Ｓ１０７）。すると、小容量切換え手段１２０は「小容量ＡＣ／ＤＣコンバータ１１８の出力電圧（１２Ｖ）＞小容量ＤＣ／ＤＣコンバータ１１９の出力電圧（０Ｖ）」の関係より、商用交流１０３を供給元として、直流電圧１２Ｖを発電ブロック１０５へ供給するように動作を自動的に切換える。

このとき、小容量ＡＣ／ＤＣコンバータ１１８に対して出力負荷が急激に増加することになる。しかしながら、小容量ＡＣ／ＤＣコンバータ１１８は発電中も小容量電力消費手段１２１へ１２ｍＷの電力供給を継続して行っていたので、出力負荷の急激な増加に対しても出力可能な状態を保っており、自動切換えの際にも出力電圧を低下させることなく安定して電源供給を継続できる。

一方、終了時の大容量電源１１７は、スタック１０７の出力電圧が１５Ｖ以下になると、大容量切換え手段１２３において「大容量ＡＣ／ＤＣコンバータ１２２の出力電圧（１５Ｖ）＞スタック１０７の出力電圧（１５Ｖ以下）」の関係が成立するので、商用交流１０３を供給元として大容量ＡＣ／ＤＣコンバータ１２２および大容量ＤＣ／ＤＣコンバータ１２４を介して発電ブロック１０５に直流電圧２４Ｖを供給するように自動的に動作が切換わる（Ｓ２０４，Ｓ２０５）。

ここで、大容量切換え手段１２３の自動切換えの際に、大容量ＡＣ／ＤＣコンバータ１２２の出力側の負荷が急激に増加するので、小容量ＡＣ／ＤＣコンバータ１１８と同様に電圧低下が発生することが懸念される。しかしながら、スタック１０７の出力は寸断されるわけではなく、徐々に低下していくので、大容量ＡＣ／ＤＣコンバータ１２２の出力電圧が低下したとしても、１５Ｖを少し下回ったところで再度スタック１０７側に自動的に切換わり、発電ブロック１０５への電源供給は継続される。

以上に示した各状態における電源ブロック１０６の電源供給について、発電ブロック１０５での必要な電力と、電源ブロック１０６より供給する電源の供給元が何かという観点でまとめたのが（表１）である。

燃料電池発電装置の４つの状態毎に、発電ブロック１０５についてはその時に必要な電力を、電源ブロック１０６については小容量電源１１６と大容量電源１１７のいずれが電源供給を行っているのか、またその供給元が商用交流１０３とスタック１０７のいずれなのか、動作しているコンバータはＡＣ／ＤＣコンバータとＤＣ／ＤＣコンバータのいずれなのかということを示している。

（表１）より、必要な電力が１０Ｗと小さい停止状態では小容量電源１１６のみが電源を供給している。大容量電源１１７は動作しているもののアクチュエータ１１４が停止しているため実質的には電源供給が停止しているのと同様の状態である。

図４は小容量ＡＣ／ＤＣコンバータ１１８の電源効率特性を示す特性図である。図４に示すように、実際に必要な電力である１０Ｗで電源効率が良くなるように設計するので、燃料電池発電装置１０１が停止状態で消費する電力を低減することができる。具体的には、１０Ｗ時の電源効率が８０％であるので、実際に商用交流１０３より消費する電力は１２．５Ｗ（＝１０Ｗ÷８０％）である。

ここで、燃料電池発電装置１０１の４つの状態に対してひとつのＡＣ／ＤＣコンバータで電源供給した場合（従来例）と比較してその効果を示す。

４つの状態に対して電源を供給するためには、４つの状態の内で最大の電力に合わせて電源を設計する必要がある。そのためには大容量ＡＣ／ＤＣコンバータ１２２を用いなければならない。

図５は大容量ＡＣ／ＤＣコンバータ１２２の電源効率特性を示す特性図であり、起動、終了時に必要な電力１００Ｗで効率が良くなるように設計するので、１０Ｗ出力時の電源効率は６５％程度と低くなっている。これより、消費電力は１５．４Ｗ（＝１０Ｗ÷６５％）となる。従って、本実施の形態の構成によれば、大容量ＡＣ／ＤＣコンバータ１２２で４つの状態に対して電源供給を行う場合に比べ、停止時に２．９Ｗ（＝１５．４Ｗ−１２．５Ｗ）の消費電力の低減を行うことが可能となり、燃料電池発電装置１０１の総合効率を向上することができる。

また、（表１）より、発電時には小容量電源１１６と大容量電源１１７の両方ともに、商用交流１０３ではなくスタック１０７で発電した直流電力を供給元として動作するので、スタック１０７の直流電力をインバータ１０８で交流に変換して商用交流１０３に供給し、その商用交流１０３として供給された電力をＡＣ／ＤＣコンバータで変換するものに比べて、効率よく燃料電池発電装置１０１の運転を行うことができる。

以下に図６、図７を用いて具体的に示す。

ここで、図６は小容量ＤＣ／ＤＣコンバータ１１９の電源効率特性を示す特性図であり、図７は大容量ＤＣ／ＤＣコンバータ１２４の電源効率特性を示す特性図である。

小容量電源１１６については、図６より小容量ＤＣ／ＤＣコンバータ１１９の電源効率が１０Ｗ時に８５％であるので、実際にスタック１０７で消費する電力は１１．８Ｗ（＝１０Ｗ÷８５％）となる。

大容量電源１１７については、スタック１０７の直流出力を大容量ＤＣ／ＤＣコンバータ１２４のみを介して供給する。図７より大容量ＤＣ／ＤＣコンバータ１２４の電源効率が１００Ｗ時に８５％であるので、スタック１０７より消費する電力は１１７．６Ｗ（＝１００Ｗ÷８５％）となる。これより電源ブロック１０６としての消費電力は合計１２９．４Ｗ（＝１１．８Ｗ＋１１７．６Ｗ）となる。

これに対してインバータ１０８による交流変換とＡＣ／ＤＣコンバータによる変換を経た場合は、インバータ１０８の変換効率を９０％とすれば、小容量電源１１６については、図４より小容量ＡＣ／ＤＣコンバータ１１８の電源効率が１０Ｗ時に８０％であるから、１３．９Ｗ（＝１０Ｗ÷９０％÷８０％）がスタック１０７での消費電力となる。

また大容量電源１１７についても同様に、図５より大容量ＡＣ／ＤＣコンバータ１２２の電源効率が１００Ｗ時に８０％であるから、１３８．９Ｗ（＝１００Ｗ÷９０％÷８０％）がスタックでの消費電力となり、電源ブロック１０６として合計での消費電力は１５２．８Ｗ（＝１３．９Ｗ＋１３８．９Ｗ）となる。

従って本実施の形態の構成によれば、スタック１０７の発電電力をインバータ１０８で交流に変換して商用交流１０３に供給し、その商用交流１０３をＡＣ／ＤＣコンバータで変換するものに比べて、２３．４Ｗ（＝１５２．８Ｗ−１２９．４Ｗ）の消費電力の低減を行うことが可能となる。

これにより、燃料電池発電装置１０１の安定動作を確保した上で総合効率を向上することができる。

なお、本実施の形態では、小容量切換え手段１２０と大容量切り替え手段１２４をダイオードで構成したが、ＦＥＴやトランジスタ等のスイッチ素子を用いても良い。その場合には、停止／起動／発電／終了といった燃料電池発電装置１０１の制御状態の遷移に応じて、先のスイッチ素子をＯＮ／ＯＦＦすることが必要である。

（実施の形態２）
図８は本発明の第２の実施の形態における燃料電池発電装置の構成図である。

実施の形態１と同一構成のものについては同一符号を付し、説明を簡略化する。

実施の形態１と異なる点は、小容量ＡＣ／ＤＣコンバータ１１８の出力がスイッチ１２５を介して小容量電力消費手段１２１へ接続されているところである。小容量電力消費手段１２１での消費電力が１２ｍＷと小さいことから、スイッチ１２５は小電力用ＦＥＴやトランジスタで構成するのが好適である。

燃料電池発電装置１０１としての動作は実施の形態１と同一であり、異なるのは電源ブロックに関する動作である。以下に、相違点について動作を説明する。

図９は小容量電源１１６の動作フローチャートであり、実施の形態１の図２と異なるのはステップＳ１０４が削除されステップＳ３０１〜Ｓ３０３が追加されている点である。

制御手段１０９は発電を終了する１０秒前になるとスイッチ１２５をＯＮして、小容量電力消費手段１２１へ電力供給を開始する（Ｓ３０１，Ｓ３０２）。そのため、１０秒後に発電から終了へ遷移する際には、小容量ＡＣ／ＤＣコンバータ１１８が出力急増に対応可能な状態となっており、小容量ＤＣ／ＤＣコンバータ１１９から小容量ＡＣ／ＤＣコンバータ１１８へ出力を切換える際にも出力電圧を低下させることなく安定して電源供給を継続できる。

これにより、小電力消費手段１２１を必要な時のみ有効とすることができるので、不要な電力消費を抑えて燃料電池発電装置１０１の総合効率を向上することができる。

なお、発電終了まで１０秒を超える間は、スイッチ１２５はオフのままである。

また、本実施の形態ではスイッチ１２５をＯＮする期間を発電終了前１０秒としたが、小容量ＡＣ／ＤＣコンバータ１１８が安定するのに十分な時間となるように設定すれば特に問題はない。また、スイッチ１２５のＯＮ期間は短い方が、総合効率の観点から好適であるが、小容量ＤＣ／ＤＣコンバータ１１９と連動して発電中は常時ＯＮするような構成とすれば、制御手段１０７の指令を必要とせず、小容量電源１１６内の閉じた回路で実現でき、回路の独立性を高めることができる。

以上のように、本発明にかかる燃料電池発電装置は、必要な電力が小さい停止時には小容量電源のみを用いて、必要な電力が大きい起動、発電、終了時には小容量電源と大容量電源を用いて作動用電源の供給を行うので、小容量電源および大容量電源の電源効率を容量に応じて最適化することができ、消費電力の低減および総合効率の向上が可能となるので、作動状態による消費電力が大きく異なりかつ常時通電が必要な装置の電源としても適用できる。また、燃料電池発電装置の作動させるための電力を、スタックと商用交流の二つの供給元を発電状態に応じて安定的に切換えながら供給するので、電力変換時のロスを抑え、総合効率を向上させることが可能となるので、エンジン発電装置や太陽光発電装置などの家庭用発電装置全般にも適用できる。

本発明の実施の形態１における燃料電池発電装置の構成図 同燃料電池発電装置の小容量電源の動作フローチャート 同燃料電池発電装置の大容量電源の動作フローチャート 同燃料電池発電装置の小容量ＡＣ／ＤＣコンバータの電源効率特性を示す特性図 同燃料電池発電装置の大容量ＡＣ／ＤＣコンバータの電源効率特性を示す特性図 同燃料電池発電装置の小容量ＤＣ／ＤＣコンバータの電源効率特性を示す特性図 同燃料電池発電装置の大容量ＤＣ／ＤＣコンバータの電源効率特性を示す特性図 本発明の実施の形態２における燃料電池発電装置の構成図 同燃料電池発電装置の小容量電源の動作フローチャート 従来の燃料電池発電装置の構成図

符号の説明

１０１ 燃料電池発電装置
１０２ 分電盤
１０３ 商用交流
１０４ 家庭内負荷
１０５ 発電ブロック
１０６ 電源ブロック
１０７ スタック
１０８ インバータ
１０９ 制御手段
１１０ 水素生成器
１１１ 送風機
１１２ 貯湯槽
１１３ 廃熱回収手段
１１４ アクチュエータ
１１５ センサ
１１６ 小容量電源
１１７ 大容量電源
１１８ 小容量ＡＣ／ＤＣコンバータ
１１９ 小容量ＤＣ／ＤＣコンバータ
１２０ 小容量切換え手段
１２１ 小容量電力消費手段
１２２ 大容量ＡＣ／ＤＣコンバータ
１２３ 大容量切換え手段
１２４ 大容量ＤＣ／ＤＣコンバータ
１２５ スイッチ

Claims (7)

1. 発電ブロックと、
   この発電ブロックに電源を供給する電源ブロックと、
   前記発電ブロックと前記電源ブロックの動作制御を行う制御手段とを備え、
   前記発電ブロックは、
   炭化水素系原料ガスと水から水素を主成分とする燃料ガスを生成する水素生成器と、
   この水素生成器からの燃料ガスと酸化剤ガスとを反応させて発電を行うスタックと、
   このスタックからの直流電力を交流電力に変換するインバータとを有し、
   前記電源ブロックは、
   前記制御手段と前記発電ブロック中の小容量電力機器に電力を供給する小容量電源と、
   前記発電ブロック中の大容量電力機器に電力を供給する大容量電源とを有し、
   前記小容量電源は、
   商用交流を第一の所定電圧に変換する小容量ＡＣ／ＤＣコンバータと、
   前記スタックからの出力を第二の所定電圧に変換する小容量ＤＣ／ＤＣコンバータと、
   前記小容量ＡＣ／ＤＣコンバータと前記小容量ＤＣ／ＤＣコンバータの出力電圧の低い側に所定の電力を消費する小容量電力消費手段と、
   前記発電ブロックの起動および終了および停止している時には前記第一の所定電圧を前記発電ブロックの小容量電力機器に出力し、発電している時には前記第二の所定電圧を前記発電ブロックの前記小容量電力機器に出力する小容量切換え手段とを有し、
   前記大容量電源は、
   前記商用交流を第三の所定電圧に変換する大容量ＡＣ／ＤＣコンバータと、
   前記発電ブロックが起動および終了している時には前記第三の所定電圧を前記発電ブロックの大容量電力機器に出力し、発電している時には前記スタックの出力を前記発電ブロックの前記大容量電力機器に出力し、停止している時には、前記発電ブロックの前記大容量電力機器への出力を停止する大容量切換え手段と、を有し、
   前記発電ブロックが停止している時にも電力が供給される前記小容量電力機器には、ガス漏れ検知センサが含ま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装置。
2. 前記大容量電源は、前記大容量切換え手段の出力を第四の所定電圧に変換する大容量ＤＣ／ＤＣコンバータを有することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池発電装置。
3. 前記小容量切換え手段および前記大容量切換え手段の少なくともいずれか一方を、半導体素子で構成したことを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池発電装置。
4. 前記小容量電源は、前記第一の所定電圧が前記第二の所定電圧より低くなるように構成し、前記小容量切換え手段をダイオードのＯＲ回路で構成したことを特徴とする請求項３に記載の燃料電池発電装置。
5. 前記小容量電力消費手段をＯＮ／ＯＦＦするスイッチを備えたことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料電池発電装置。
6. 前記スイッチは第一の所定電圧と第二の所定電圧の切換えタイミング前の一定期間ＯＮすることを特徴とする請求項５に記載の燃料電池発電装置。
7. 前記小容量ＤＣ／ＤＣコンバータは、前記スタックの出力電圧を変換して前記小容量切換え手段へ入力するように構成されており、
   前記大容量ＤＣ／ＤＣコンバータは、前記大容量ＡＣ／ＤＣコンバータ又はスタックから前記大容量切換え手段を介して供給される電圧を変換して前記大容量電力機器に出力するように構成されている、
   ことを特徴とする請求項２に記載の燃料電池発電装置。