JP5809844B2 - 燃料電池発電システムおよび燃料電池発電システムにおける電気ヒータへの電力投入方法 - 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燃料電池発電システムにおける電気ヒータへの電力投入方法に関する。

近年、地球温暖化が大きな話題となり、二酸化炭素排出量に注目が集まっている中、都市ガス、LPGなどを原燃料とする省エネ性に優れた燃料電池発電システムが実用化され、特に家庭用の小容量システムの普及が広まっている。

燃料電池発電システムは、原燃料から水素を取り出し、空気中の酸素と反応させることにより発電を行うシステムであり、発電によって得られた直流電力は、利用に便利な交流電力へ変換され、商用電力系統と連系して運転されるのが一般的である。

系統へ連系する場合に、設置場所である家庭などの受電点から商用電力系統へ電力を供給すること、すなわち逆潮流運転は、電力会社との協議により許容されない場合が多い。これは、電力系統の末端である各家庭から電力を逆潮流させると、系統の電圧が上昇し、電力会社が電力品質を保つことが困難になったり、電力需要が減る夜間に、電力が余ったりすることなどが理由である。そのため、多くの系統連系用インバータは逆潮流防止機能を持ち、逆潮流の発生を防止する運用を行っている。

ここで、実際に逆潮流状態が発生した時に逆潮流を防止するためには、ヒータなどの模擬負荷で電力を消費する必要がある。排熱回収水ラインに設けたヒータを模擬負荷として使用し、発生した熱を回収するシステムや、燃料電池発電システムの昇温用の電気ヒータを逆潮流発生時に利用するシステムなどがある。

一方、系統で停電などの異常が発生した時は、燃料電池は発電を停止することが一般的である。この場合、再起動に必要なエネルギーがロスになるという課題があった。この課題を解決するため、系統と切り放された状態で自立運転を継続し、自立運転中の発電電力をヒータで消費して熱として回収するという発明がなされている。

また、燃料電池発電システムは、水素等の燃料ガスと空気等の酸化剤ガスを電気化学的に反応させることにより、反応ガスのもつ化学的エネルギーを電気エネルギーに変換する装置である。電気化学的反応により生成するものは水のみであるため、クリーンな発電機として期待されている。

さらに、この燃料電池発電システムは、比較的小型であるにもかかわらず、高効率で、発電に伴う発熱を温水や蒸気として回収することにより、コージェネレーションシステムとしての適用が可能である。

燃料電池本体に使用されている電解質の違い等により様々なタイプのものに分類されるが、中でも、電解質に固体高分子電解質膜を用いた固体高分子形燃料電池は、低温動作性や高出力密度等の特徴から、一般家庭用を視野に入れた小型コージェネレーションシステムや電気自動車用の動力源としての用途に適しており、市場拡大が期待されている。

特に家庭用の燃料電池発電システムは2009年度からエネファームとして市場展開され始めたが、更なる市場拡大のためにはこれまで以上のコストダウンが必要である。そのためにはシステムの簡素化や部品点数の削減が効果的であると考えられる。

燃料電池システムには様々な用途として電気ヒータが使用されおり、これらの電気ヒータを削減することによって部品点数の削減効果、設置スペースの少量化、制御の簡素化、消費電力の削減などのコストダウン効果が見込まれる。

排熱回収水加熱用の電気ヒータを、燃料電池の出力制御用として兼ねる制御方法が提案されている。

特開２０００−３４０２４４号公報 特開２００９−６４７５３号公報 特開２００９−２７２１５８号公報 特許第３４２２１６７号公報

燃料電池発電システムには、様々な用途で電気ヒータが使用されている。例えば、電池本体の温度を制御するヒータ、電池本体へ供給されるガスの温度を制御するヒータ、改質反応を促進させるためのヒータ、排熱回収用のヒータ、逆潮防止用に電力負荷を制御するヒータ、電池本体の電圧調整用のヒータ等々である。

一例として逆潮流防止用のヒータと、自立運転時の発電電力を熱として回収するためのヒータを個別に設置する場合、設置スペースの増大、コストの増加をまねくという課題がある。また、これらのヒータを兼用とする場合、逆潮流防止及び自立運転中の発電電力を熱として回収することが可能であるが、必要以上の電力がヒータで消費され、熱の回収量は増加するが、燃料の消費量は増加し、省エネルギー性がかならずしも向上しないという課題があった。

その他の例として、排熱回収水加熱用の電気ヒータを、燃料電池の出力制御用として兼ねる制御方法が提案されている。排熱回収水加熱用電気ヒータに出力制御の用途を追加したものでありヒータ点数としては変わらず、また、電気ヒータの容量としては燃料電池発電システムの出力の一部もしくは全部を供給できるような容量にアップされている。制御I/Oや検知器の点数の削減は見られず、また制御の簡素化も見られない。

よって、ヒータ点数を減らすことが出来れば、ヒータ自身のみならず、制御I/Oや検知器の点数削減、制御基板の簡素化、ヒータ設置スペースの少量化、制御の簡素化、さらには、消費電力の削減などが可能となる。

発明が解決しようとする課題は、逆潮流防止用のヒータを自立運転時の模擬負荷として使用することができる、自立運転可能な燃料電池システムおよび燃料電池発電システムにおける電気ヒータへの電力投入方法を提供することである。

第１の実施形態によれば、燃料ガスと酸化剤ガスの電気化学反応により直流電力を発生する燃料電池と、
前記燃料電池から発生した直流電力を交流電力に変換して、電力系統へ連系して交流電力を出力するインバータと、
燃料電池発電システムの排熱を回収して熱として蓄える貯湯槽と、
前記貯湯槽に接続された排熱回収ラインと、
前記排熱回収ラインに接続された電気ヒータと、
前記電気ヒータに投入する電力を、前記燃料電池の出力側の直流電力と、前記インバータの出力側の交流電力との間で切り換える切り換えスイッチと、
前記切り換えスイッチに切り換え制御信号を出力する制御装置と
を具備し、
前記制御装置は、前記燃料電池の発電中に逆潮流が検出された場合に、前記検出された逆潮流の発生量に相当する電力消費量が前記電気ヒータに投入されるように制御し、
前記切り換えスイッチは、前記制御装置から出力された切り換え制御信号に基づいて、前記電気ヒータに投入する電力を、前記燃料電池の出力側の直流電力と、前記インバータの出力側の交流電力との間で切り換え、
前記制御装置は、さらに、
前記燃料電池が発電中であるか否かの判断を行なう判断手段と、
前記燃料電池が発電中であると判断された場合に、前記切り換えスイッチを前記インバータの出力側の交流電力に切り換えるための切り換え制御信号を前記切り換えスイッチに出力する手段と
を具備し、
前記インバータと前記電力系統との間に接続され、前記インバータを前記電力系統から遮断する連係リレーをさらに具備し、
前記制御装置は、
前記電力系統の電圧信号に基づいて系統異常を検出する手段と、
発電中に前記系統異常が検出された場合に、前記連係リレーを制御して前記インバータを前記電力系統から遮断し、前記インバータを電圧制御モード又は電流制御モードで制御する手段と
をさらに具備する燃料電池発電システム、である。

本発明によれば、自立運転可能な燃料電池システムにおいて、逆潮流防止用のヒータを自立運転時の模擬負荷として使用することができる。

第１の実施の形態に係る燃料電池発電システムの構成を示す図である。 同第１の実施の形態に係る燃料電池発電システムにおける制御装置内の逆潮流防止ヒータ投入量制御の概念を示す図である。 同第１の実施の形態に係る燃料電池発電システムの動作を説明するためのフローチャートである。 第２の実施の形態に係る燃料電池発電システムの構成を示す図である。 同第２の実施の形態に係る燃料電池発電システムの動作を説明するためのフローチャートである。 同第２の実施の形態に係る他の燃料電池発電システムの構成を示す図である。

以下、実施の形態について、図面を参照して説明する。

（第１の実施の形態）
図１は、第１の実施の形態に係る燃料電池発電システムの構成を示す図である。

燃料電池１は、酸化剤ガスである酸素を含む空気と、改質器６に導入される都市ガスを初めとした原燃料から生成される水素リッチなガスとから、電気化学反応により、直流電力を発生する。

燃料電池１から発生した直流電力は、直流を電圧変換するＤＣ／ＤＣコンバータ２及び、系統連系インバータ３を介して、商用電力系統４及び負荷５に接続されている。貯湯槽７には、排熱回収ライン８が排熱回収水循環ポンプ９を介して接続されており、燃料電池への低温戻りラインには、改質器６を初めとした燃料処理系の排熱ガスとの熱交換器１０、燃料電池冷却水ライン１３との熱交換器１１及び、逆潮流防止ヒータ１２が設置され、熱を回収して高温となった水が貯湯槽７へ送られる。

系統連系インバータ３は、系統連系インバータ３の出力に設置された交流電流センサー２１と、系統連系リレー２２を介して商用電力系統４へ接続されており、商用電力系統との接続点には、受電点電流センサー２５が設置されている。

燃料電池１の直流出力は、直流電流センサー２３を介して、２つに分岐され、一方はＤＣ／ＤＣコンバータ２へ、他方は直流模擬負荷ライン３２を通して切り換えスイッチ３０の入力側に接続されている。

切り換えスイッチ３０の入力側の他方には、交流電流センサー２１と系統連系リレー２２との間から分岐された交流模擬負荷ライン３１が電力調整器２６を介して入力されている。切り換えスイッチ３０の出力は逆潮流防止ヒータ１２に接続されている。

制御装置２０は、交流電流センサー２１、直流電流センサー２３及び、受電点電流センサー２５の信号２１ａ、２３ａ、２５ａが入力されている。その他、系統連系リレー２２、電力調整器２６及び、切り換えスイッチ３０の制御信号２２ａ、２６ａ、３０ａが出力されている。また、系統連系インバータと制御信号３ａを送受信している。

図２は、第１の実施の形態に係る燃料電池発電システムにおける制御装置内の逆潮流防止ヒータ投入量制御の概念を示す図である。

同図に示すように、受電点電流センサー２５の検出信号２５ａと、図示しない系統電圧を入力し、これらの値から電力算出部２０１により現時点での逆潮流電力を演算する。

次に、内部メモリ等に記憶された逆潮流防止のマージン設定２０２を加算部２０３により加算し、逆潮流防止ヒータ投入量２０４を算出する。次に、算出された逆潮流防止ヒータ投入量２０４となるように、電力調整器２６にて逆潮流防止ヒータ１２をＯＮ、ＯＦＦすることにより逆潮流防止ヒータ投入量２０４相当の交流電力を通電するための電力調整器操作量を、電力調整器操作量演算部２０５にて算出し、電力調整器２６へ制御信号２６ａを出力する。

次に、第１の実施の形態に係る燃料電池発電システムの動作について、図３のフローチャートを参照して説明する。初めに、燃料電池発電開始前の動作を説明する。

Ｓ１において、燃料電池が停止中か否かの判断が行なわれる。Ｓ１において燃料電池が停止中であると判断された場合には、操作信号３０ａによりスイッチ３０が切り換えられて、逆潮流防止ヒータ１２が直流模擬負荷ライン３２に接続される（Ｓ２）。

燃料電池が停止中か否かの判断は、制御装置２０が燃料電池１に対して燃料電池停止指令を出力しているか否かに基づいて決定される。燃料電池停止指令を出力するイベントは、例えば、燃料電池１の出力電圧、系統連係インバータ３の交流出力電流のうちの少なくとも１つが０である場合に、燃料電池が停止中であると判断されるが、これに限られるものではない。逆潮流防止ヒータ１２は、停止中の燃料電池に電圧が発生した場合の直流電力消費のための模擬負荷として使用される。

通常、停止中は燃料電池に電圧は発生しないが、配管から空気が混入した場合など、電池の両極に電位差が発生する。発電中ではないため、直流電力が消費されず、このまま放置すると、燃料電池の高電位状態が継続し、燃料電池の特性低下の原因となる。上記のように模擬負荷を接続しておくことにより、直流電力が消費され、燃料電池が高電位状態となることが防止でき、燃料電池の特性低下を防ぐことが可能である。

Ｓ１において燃料電池が停止中ではないと判断された場合には、Ｓ３において、燃料電池が発電中か否かの判断が行なわれる。燃料電池が発電中ではないと判断された場合、切り換えスイッチ３０は、操作信号３０ａによりスイッチ３０が切り換えられて、逆潮流防止ヒータ１２が直流模擬負荷ライン３２に接続される（Ｓ２）。逆潮流防止ヒータ１２は、発電中ではない燃料電池に電圧が発生した場合の直流電力消費のための模擬負荷として使用される。

燃料電池が発電中か否かの判断は、制御装置２０が燃料電池１に対して燃料電池発電指令を出力しているか否かに基づいて決定される。燃料電池発電指令を出力するイベントは、例えば、燃料電池１の出力電圧、系統連係インバータ３の出力電流のうちの少なくとも１つが所定の値以上である場合に、燃料電池が発電中であると判断されるが、これに限られるものではない。逆潮流防止ヒータ１２は、発電はしていないと判断された燃料電池に電圧が発生した場合の直流電力消費のための模擬負荷として使用される。

次に、燃料電池発電開始後の動作を説明する。

Ｓ３において燃料電池が発電中であると判断された場合には、制御装置２０からの操作信号３０ａによりスイッチ３０が切り換えられて、逆潮流防止ヒータ１２が交流模擬負荷ライン３１に接続される（Ｓ４）。

制御装置２０は、発電電力設定値相当の電力が出力されるように、系統連系インバータ３を電流制御モードで系統連系運転させる。このとき、発電電力が設定値に追従するように、インバータ出力の交流電流を制御し、交流電流センサー２１の検出値をフィードバックすることで、発電電力を安定的に出力させる。

この時、インバータの発電電力に応じて、燃料電池の直流出力電流が変化することから、直流電流センサー２３の検出値によって、図示しないポンプやブロワの制御信号を変化させて、燃料や空気のプロセス量を制御する。

また、切り換えスイッチ３０は、操作信号３０ａにより、交流模擬負荷ライン３１に繋がっており、逆潮流防止ヒータ１２は、系統連系インバータ３の出力である交流電力消費のための模擬負荷として使用される。以下、ケース１として、逆潮流が発生した場合の動作を、ケース２として、系統異常が発生した場合の動作を説明する。

（ケース１） Ｓ３において、燃料電池が発電中であると判断された場合には、スイッチ３０により逆潮流防止ヒータ１２が交流模擬負荷ライン３１に接続され（Ｓ４）、逆潮流が発生したか否かの判断が行なわれる（Ｓ５）。

具体的には、制御装置２０は、受電点電流センサー２５の検出値２５ａから、逆潮流が発生したことを検知すると、検出値２５ａを元に、逆潮流発生電力量を算出し（Ｓ６）、電力調整器２６の制御信号２６ａにより、逆潮流発生量に相当する電力消費となるように、逆潮流防止ヒータ１２へ交流電力を通電する（Ｓ７）。

ここで、電力調整器２６としては、高速なＯＮ、ＯＦＦ操作が長期間に渡って可能な半導体スイッチであることが望ましい。例えば、交流電圧の０ボルトのタイミングでＯＮ、ＯＦＦ可能なトライアックと言われる半導体スイッチを用いることで、逆潮流防止ヒータ投入量を、１秒間にＯＮするサイクル数を操作することで、２％単位で制御可能である（５０Ｈｚの場合）。消費電力を受電点電流に応じて細かく制御することで、必要以上のヒータ投入による燃料の消費を抑えることが可能である。

（ケース２） Ｓ５において逆潮流が発生していないと判断された場合、系統異常が検出されたか否かの判断が行なわれる（Ｓ８）。具体的には、制御装置２０は、図示しない系統電圧検出器の信号から系統の電圧や周波数の異常状態を検出する。

Ｓ８において系統異常が検出されない場合には、Ｓ１の処理に戻る。Ｓ８において系統異常が検出された場合には、制御装置２０は、制御信号２２ａにより連系リレー２２を開放する（Ｓ９）。また、系統連系インバータ３を制御信号３ａにより電圧制御モードに切り換え、自立運転させる（Ｓ１０）。

系統連系インバータ３の交流出力電力は、逆潮流防止ヒータ１２にて消費される。この結果、燃料電池発電システムは停止しないため、起動電力によるロスを防ぐことが可能である。

ここで、逆潮流防止ヒータの抵抗値は一定であるため、系統連系インバータの出力電圧を制御することにより、逆潮流防止ヒータでの消費電力を変化させることが可能である。

例えば、系統連系インバータの出力電圧を通常の逆潮流防止ヒータ使用電圧の１／２とした場合は、消費電力は１／４となる。自立運転中は、定格発電を継続する必要はなく、図示しない補機の消費電力と、燃料電池発電システムが安定して運転継続可能な発電電力を消費するだけでよいので、省エネルギーの観点から、最低出力運転時と同等の運転状態が望ましい。

したがって、実施の形態に係る燃料電池発電システムでは、燃料電池停止中の電圧上昇による燃料電池特性の低下を防止できる。

また、系統連系運転中に逆潮流が発生した場合は、必要以上にヒータを逆潮流防止ヒータにおいて電力を消費することなく、省エネルギー性の高い運用ができる。

さらに、系統異常発生時には自立運転を行い、最低出力相当の発電を継続することで、起動電力のロス発生を防止すると同時に、安定した発電を継続することができる。

（変形例）
停止中及び、系統連系中の動作は同一なので省略する。

本実施の形態の変形例では、自立運転時に、系統連系インバータ３の制御を、電流制御モードとし、さらに、電流値を一定値に制御する。例えば、200V、800Wのヒータの抵抗値は50Ωであるため、電流設定値を2Aとすると、消費電力は、以下の式より200Wとなる。

P（W）＝ＲＩ² ＝50×2×2
＝200（Ｗ）
このときの電圧は制御していないが、以下の式より100Vとなる。

V（V）＝P／I
＝200／2
＝100（Ｖ）
電流設定値を可変することにより、逆潮流防止ヒータでの消費電力を任意に変更することが可能であり、省エネルギーの観点から望ましい、最低出力運転時と同等の運転状態とすることが可能である。

本実施の形態の変形例によれば、系統異常発生時には自立運転を行い、最低出力相当の発電を継続することで、起動電力のロス発生を防止すると同時に、安定した発電を継続することができる。

したがって、本実施形態によれば、自立運転可能な燃料電池システムにおいて、逆潮流防止用のヒータを自立運転時の模擬負荷として使用し、かつ、発電出力を最低限度とすることで、燃料の消費量を抑え、省エネルギー性を向上させることが可能な燃料電池システムを提供することができる。また、必要に応じて、前記逆潮流防止ヒータを燃料電池の電圧上昇抑制負荷としても利用し、燃料電池の特性劣化を防ぎ、高信頼な燃料電池システムを提供することができる。

（第２の実施の形態）
以下、第２の実施の形態に係る燃料電池発電システムについて説明する。

図４は、第２の実施の形態に係る燃料電池発電システムの構成を示す図である。同図において、図中の太線は電流線、細線は電気信号線をそれぞれ示している。

第２の実施の形態に係る燃料電池発電システムは、燃料電池本体５１と、この燃料電池本体５１で発電した直流電力を交流電力に変換するインバータ５２と、燃料電池本体５１の電池電圧を検出して電池電圧検出信号を送る電圧検出器５３と、燃料電池本体５１の電池電流を検出して電池電流検出信号を送る電流検出器５４を具備する。

電圧検出器５３及び電流検出器５４はシステム制御装置５５に接続されている。システム制御装置５５は、電圧検出器５３から送られる電池電圧検出信号と、電流検出器５４から送られる電池電流検出信号を基に所定の演算を行なう。

システム制御装置５５には切り換え器５６及び電気ヒータ５７が接続されている。

切り換え器５６は、システム制御装置５５からの制御信号により、燃料電池本体５１からの電力と系統５８からの電力の切り換えを行なう。

電気ヒータ５７は、切り換え器５６で切り換えられた電力供給元から送られた電力を消費する。また、システム制御装置５５からの制御信号に基づいてON／OFF制御が行なわれる。

次に、第２の実施の形態に係る燃料電池発電システムの動作を図５のフローチャートを参照して説明する。

まず、システム制御装置５５により燃料電池発電システムが停止中か否かの判断が行なわれる（Ｓ１１）。

燃料電池発電システムが停止中か否かの判断は、例えば、システム制御装置５５が、電圧検出器５３から送られる電池電圧検出信号によって示される燃料電池本体５１の電池電圧及び電流検出器５４から送られる電池電流検出信号によって示される燃料電池本体５１の電池電流の少なくとも１つが０である場合に、燃料電池が停止中であると判断されるが、これに限られるものではない。

Ｓ１１において、燃料電池発電システムが停止中と判断された場合には、システム制御装置５５から切り換え器５６に信号が送られ、切り換え器５６は燃料電池本体５１とインバータ５２との間に一端が接続され、他端が切り換え器５６に接続されるインバータ５２側のラインに接続され、電気ヒータ５７はダミーロードとして燃料電池本体５１の負荷の消費用として使用される。

ダミーロードとしての電気ヒータ５７のON／OFF制御は、電圧検出器５３からの燃料電池本体５１の電池電圧検出信号が所定の閾値以上の場合はONにし、それ以外の場合はOFFするようシステム制御装置５５から電気ヒータ５７に信号が送られる。

Ｓ１１において、燃料電池発電システムが停止中ではないと判断された場合には、次に、燃料電池発電システムが起動中であるか否かの判断が行なわれる（Ｓ１２）。

燃料電池発電システムが起動中か否かの判断は、例えば、システム制御装置５５が燃料電池本体５１に起動指令を出したか否かに基づいて行なわれるが、これに限られるものではない。起動指令を出力するイベントは、例えば、システム制御装置５５が、電圧検出器５３から送られる電池電圧検出信号によって示される燃料電池本体５１の電池電圧及び電流検出器５４から送られる電池電流検出信号によって示される燃料電池本体５１の電池電流の少なくとも１つが所定の値以上である場合に実行されるが、これに限られるものではない。

Ｓ１２において、燃料電池発電システムが起動中であると判断された場合には、燃料電池本体５１に水素が導入されたか否かの判断が行なわれる（Ｓ１３）。

Ｓ１３における燃料電池本体５１に水素が導入されたか否かの判断は、例えば、システム制御装置５５が、改質器（図示せず）への水素導入指令を出力したか否かにより行なわれる。この水素導入指令を出力するイベントは、例えば、改質器の温度が所定の温度になった場合に実行されるが、これに限られるものではない。

Ｓ１３において、燃料電池本体５１に水素が導入されていないと判断された場合には、切り換え器５６は燃料電池本体５１に水素が導入されるまでは、システム制御装置５５から切り換え器５６に信号が送られて、切り換え器５６は燃料電池本体５１とインバータ５２との間に一端が接続され、他端が切り換え器５６に接続される系統５８側のラインに接続され、電気ヒータ５７はダミーロードとして燃料電池本体５１の負荷の消費用として使用される。

ダミーロードのON／OFF制御については、電圧検出器５３からの電池電圧検出信号が所定の閾値以上の場合はONし、それ以外の場合はOFFするようシステム制御装置５５から信号が送られる。

Ｓ１３において、燃料電池本体５１に水素が導入されていると判断された場合には、特性回復操作を行なうか否かの判断が行なわれる（Ｓ１４）。

特性回復操作を行なうか否かの判断は、例えば、システム制御装置５５が電圧検出器５３から送られる電池電圧検出信号によって示される燃料電池本体５１の電池電圧が所定の値以上である場合に、特性回復操作を行なうと判断されるが、これに限られるものではない。

Ｓ１４において、特性回復操作を行なわないと判断された場合には、システム制御装置５５から切り換え器５６に信号が送られて、燃料電池本体５１とインバータ５２との間に一端が接続され、他端が切り換え器５６に接続される系統５８側のラインに接続され、電気ヒータ５７は、インバータ５２から系統５８に電力が逆潮しないようにするためにインバータ５２から系統５８に供給される負荷の消費用として使用される。

電気ヒータ５７のON／OFF制御については、電流検出器５４からの電池電流検出信号が所定の閾値以上の場合はONにし、それ以外の場合はOFFするようシステム制御装置５５から信号が送られる。

Ｓ１４において、特性回復操作を行なうと判断された場合には、システム制御装置５５から切り換え器５６に信号が送られて、切り換え器５６は一端がインバータ５２と系統５８との間に接続され、他端が切り換え器５６に接続された系統５８側のラインに接続され、電気ヒータ５７はダミーロードとして燃料電池本体５１の負荷の消費用として使用される。

ダミーロードのON／OFF制御については、電圧検出器５３からの電池電圧検出信号が所定の閾値以上の場合はONし、それ以外の場合はOFFするようシステム制御装置５５から信号が送られる。

一方、Ｓ１２において、燃料電池発電システムが起動中ではないと判断された場合には、Ｓ１５において燃料電池発電システムが発電中であるか否かの判断が行なわれる（Ｓ１５）。

燃料電池発電システムが発電中か否かの判断は、例えば、システム制御装置５５が、電圧検出器５３から送られる電池電圧検出信号によって示される燃料電池本体５１の電池電圧が所定の値以上である場合に発電中であると判断されるが、これに限られるものではない。

Ｓ１５において燃料電池発電システムが発電していると判断された場合には、システム制御装置５５から切り換え器５６に信号が送られて、系統５８側のラインに接続され、電気ヒータ５７は、インバータ５２から系統５８に電力が逆潮しないようにするためにインバータ５２から系統５８に供給される負荷の消費用として使用される。

電気ヒータ５７のON／OFF制御については、電流検出器５４からの電池電流検出信号が所定の閾値以上の場合はONし、それ以外の場合はOFFするようシステム制御装置５5から信号が送られる。

一方、Ｓ１５において燃料電池発電システムが発電していないと判断された場合には、Ｓ１１の処理に戻る。

従って、本実施の形態によれば、燃料電池本体５１の負荷の消費用途と、系統５８への逆潮防止用の電力消費用途と異なる2つの用途を1つの電気ヒータで制御することにより、電気ヒータの点数削減、制御I/Oや基板の簡素化、及び電気ヒータの設置スペースの少量化によるコストダウン効果が見込める燃料電池発電システムを提供することが可能となる。

（変形例）
次に、第２の実施の形態の他の燃料電池発電システムについて説明する。

図６は、第２の実施の形態に係る他の燃料電池発電システムの他の構成を示す図である。なお、図４と同一部分には同一符号を付し、その説明を省略する。

図６に示すように、図４に示した燃料電池発電システムと異なる点は、電気ヒータ５７に代えて可変抵抗式電気ヒータ５９を用いたことにある。

図６に示した燃料電池発電システムの動作は、図５に示した燃料電池発電システムの動作と同じである。本変形例によれば、可変抵抗式電気ヒータ５９の可変抵抗を調整することにより、システム制御装置５５において行なわれる電圧検出器５３からの燃料電池本体５１の電池電圧検出信号によって示される値が所定の閾値以上であるか否かの判断、電流検出器５４からの電池電流検出信号によって示される電流値が所定の値以上であるか否かの判断を調整することができる。

従って、本実施の形態においても燃料電池本体の負荷の消費用途と、系統への逆潮防止用の電力消費用途と異なる2つの用途を1つの電気ヒータで制御することにより、電気ヒータの点数削減、制御I/Oや基板の簡素化、及び電気ヒータの設置スペースの少量化によるコストダウン効果が見込める燃料電池発電システムを提供することが可能となる。

以上説明したように、実施の形態によれば、異なる操作を1つの電気ヒータで制御することにより電気ヒータの点数削減、設置スペースの少量化などのコストダウン効果が見込める燃料電池発電システムを提供することができる。

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。

１…燃料電池、２…ＤＣ／ＤＣコンバータ、３…系統連系インバータ、３ａ…系統連系インバータ制御信号、４…商用電力系統、５…負荷、６…改質器、７…貯湯槽、８…排熱回収ライン、９…排熱回収水循環ポンプ、１０、１１…熱交換器、１２…逆潮流防止ヒータ、１３…燃料電池冷却水ライン、２０…制御装置、２１…交流電流センサー、２１ａ…交流電流センサー信号、２２…系統連系リレー、２２ａ…系統連系リレー制御信号、２３…直流電流センサー、２３ａ…直流電流センサー信号、２４…ヒータ開閉器、２５…受電点電流センサー、２５ａ…受電点電流センサー信号、２６…電力調整器、２６ａ…電力調整器制御信号、３０…切り換えスイッチ、３０ａ…切り換えスイッチ制御信号、３１…交流模擬負荷ライン、３２…直流模擬負荷ライン、５１…燃料電池本体、５２…インバータ、５３…電圧検出器、５４…電流検出器、５５…システム制御装置、５６…切り換え器、５７…電気ヒータ、５８…系統、５９…可変抵抗式電気ヒータ。

Claims (3)

1. 燃料ガスと酸化剤ガスの電気化学反応により直流電力を発生する燃料電池と、
   前記燃料電池から発生した直流電力を交流電力に変換して、電力系統へ連系して交流電力を出力するインバータと、
   燃料電池発電システムの排熱を回収して熱として蓄える貯湯槽と、
   前記貯湯槽に接続された排熱回収ラインと、
   前記排熱回収ラインに接続された電気ヒータと、
   前記電気ヒータに投入する電力を、前記燃料電池の出力側の直流電力と、前記インバータの出力側の交流電力との間で切り換える切り換えスイッチと、
   前記切り換えスイッチに切り換え制御信号を出力する制御装置と
   を具備し、
   前記制御装置は、前記燃料電池の発電中に逆潮流が検出された場合に、前記検出された逆潮流の発生量に相当する電力消費量が前記電気ヒータに投入されるように制御し、
   前記切り換えスイッチは、前記制御装置から出力された切り換え制御信号に基づいて、前記電気ヒータに投入する電力を、前記燃料電池の出力側の直流電力と、前記インバータの出力側の交流電力との間で切り換え、
   前記制御装置は、さらに、
   前記燃料電池が発電中であるか否かの判断を行なう判断手段と、
   前記燃料電池が発電中であると判断された場合に、前記切り換えスイッチを前記インバータの出力側の交流電力に切り換えるための切り換え制御信号を前記切り換えスイッチに出力する手段と
   を具備し、
   前記インバータと前記電力系統との間に接続され、前記インバータを前記電力系統から遮断する連係リレーをさらに具備し、
   前記制御装置は、
   前記電力系統の電圧信号に基づいて系統異常を検出する手段と、
   発電中に前記系統異常が検出された場合に、前記連係リレーを制御して前記インバータを前記電力系統から遮断し、前記インバータを電圧制御モード又は電流制御モードで制御する手段と
   をさらに具備する燃料電池発電システム。
2. 燃料ガスと酸化剤ガスの電気化学反応により直流電力を発生する燃料電池と、
   前記燃料電池から発生した直流電力を交流電力に変換して、電力系統へ連系して交流電力を出力するインバータと、
   燃料電池発電システムの排熱を回収して熱として蓄える貯湯槽と、
   前記貯湯槽に接続された排熱回収ラインと、
   前記排熱回収ラインに接続された電気ヒータと、
   前記電気ヒータに投入する電力を、前記燃料電池の出力側の直流電力と、前記インバータの出力側の交流電力との間で切り換える切り換えスイッチと、
   前記切り換えスイッチに切り換え制御信号を出力する制御装置と
   を具備し、
   前記制御装置は、前記燃料電池の発電中に逆潮流が検出された場合に、前記検出された逆潮流の発生量に相当する電力消費量が前記電気ヒータに投入されるように制御し、
   前記切り換えスイッチは、前記制御装置から出力された切り換え制御信号に基づいて、前記電気ヒータに投入する電力を、前記燃料電池の出力側の直流電力と、前記インバータの出力側の交流電力との間で切り換え、
   前記制御装置は、さらに、
   前記燃料電池が停止中又は停止中ではないが発電状態ではない状態であるか否かの判断を行なう判断手段と、
   前記燃料電池が停止中又は停止中ではないが発電状態ではない状態であると判断された場合に、前記切り換えスイッチを前記燃料電池の出力側に切り換えるための切り換え制御信号を前記切り換えスイッチに出力する手段と
   を具備する燃料電池発電システム。
3. 燃料ガスと酸化剤ガスの電気化学反応により直流電力を発生する燃料電池と、
   前記燃料電池から発生した直流電力を交流電力に変換して、電力系統へ連系して交流電力を出力するインバータと、
   燃料電池発電システムの排熱を回収して熱として蓄える貯湯槽と、
   前記貯湯槽に接続された排熱回収ラインと、
   前記排熱回収ラインに接続された電気ヒータと、
   前記電気ヒータに投入する電力を、前記燃料電池の出力側の直流電力と、前記インバータの出力側の交流電力との間で切り換える切り換えスイッチと、
   前記切り換えスイッチに切り換え制御信号を出力する制御装置と
   を具備する燃料電池発電システムにおける電気ヒータへの電力投入方法において、
   前記制御装置が、
   前記燃料電池が停止中又は停止中ではないが発電状態ではない状態であるか否かの判断を行ない、
   前記燃料電池が停止中又は停止中ではないが発電状態ではない状態であると判断された場合に、前記切り換えスイッチを前記燃料電池の出力側に切り換えるための切り換え制御信号を前記切り換えスイッチに出力することを特徴とする燃料電池発電システムにおける電気ヒータへの電力投入方法。

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