JP2010010018A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】システムの内部における電気異状状態であるか、システムの外部における電気異状状態であるか否かにより、システムの発電運転の内容を変更し、燃料電池の保護性および耐久性を高めることができるシステムを提供する。
【解決手段】システム１００は、他電源３００と接続される燃料電池１を有する。負荷を作動させる電圧が不足するとき、システム１００の内部における電気異状状態を検出する検出部２８１と、負荷を作動させる電圧が不足するとき、システム１００の内部における電気異状状態であるかシステム１００の外部における電気異状状態であるか否かを判定する判定部２４０と、判定部２４０の判定に応じて、システム１００の発電運転の内容を変更する変更制御部２４０とを有する。
【選択図】図２

Description

本発明は燃料電池システムに関する。

燃料電池システムは、燃料電池で形成されたスタックと、スタックの燃料極に燃料を供給する燃料通路と、スタックの酸化剤極に酸化剤流体として空気を供給する酸化剤通路とを有する。スタックは、スタックが発電した直流電力を交流電力に変換させるインバータを介して商用電源と接続されて系統連系されている。

燃料電池システムによれば、インバータの電圧が不足するとき、燃料電池システムの内部の電気異状状態であるか、燃料電池システムの外部における電気異状状態であるかは、必ずしも良好に判定することができず、燃料電池システムの燃料電池の発電運転を直ちに強制的に停止させることにしているのが一般的である。しかしながら燃料電池の保護性および耐久性の向上を考慮すると、燃料電池システムの燃料電池の発電運転を急激に停止させることは、好ましくない。

そこで、特許文献１には、商用電源の停電を検出する停電検出手段を設け、停電検出手段が商用電源の停電を検出するとき（燃料電池システムの外部の電気異状状態）であっても、スタックの発電を継続させる燃料電池システムが提供されている（特許文献１）。
特開２００３−１９７２３１号公報

上記した特許文献１は、商用電源の停電が検出されるときにおける対策が設けられた燃料電池システムであるものの、燃料電池システムの内部において発生した漏電等の電気異状状態に良好に対処するものではない。

本発明は上記した実情に鑑みてなされたものであり、燃料電池システムの内部における電気異状状態であるか、燃料電池システムの外部における電気異状状態であるか否かにより、燃料電池システムの発電運転の内容を変更し、燃料電池の保護性および耐久性を高めることができる燃料電池システムを提供することを課題とする。

本発明の燃料電池システムは、他電源と接続可能な燃料電池と、燃料電池の燃料極に燃料を供給する燃料通路と、燃料電池の酸化剤極に酸化剤を供給する酸化剤通路とを有する燃料電池システムであって、燃料電池システムの内部における電気異状状態を検出する検出部と、燃料電池システムの内部における電気異状状態であるか燃料電池システムの外部における電気異状状態であるか否かを判定する判定部と、判定部の判定に応じて燃料電池システムの発電運転の内容を変更する変更制御部とを具備する。

他電源は燃料電池以外の電源であり、商用電源が代表的なものであるが、キャパシタ、バッテリーでも良い。負荷は燃料電池の発電電力および／または他電源の電力で作動されるものである。

本発明によれば、漏電等の電気異状状態が発生するときにおいて、判定部は、燃料電池システムの内部における電気異状状態であるか、燃料電池システムの外部における電気異状状態であるか否かを判定する。判定部の判定に応じて、変更制御部は燃料電池システムの発電運転の内容を変更する。従って、漏電等の電気異状状態が発生するときであっても、燃料電池の発電運転を強制的に停止させる頻度が低減される。故に、燃料電池に対する保護性ひいては耐久性を高めることができる。

本発明は次の好適態様を採用できる。

・好ましくは、変更制御部は、判定部が燃料電池システムの内部における電気異状状態であると判定するとき、燃料電池の発電運転を停止させ、且つ、判定部が燃料電池システムの外部における電気異状状態であると判定するとき、燃料電池の保護操作を実行する。上記したように判定部が燃料電池システムの内部における電気異状状態であると判定するとき、変更制御部は燃料電池の発電運転を直ちに停止させる。このため燃料電池の内部における電気異状状態の影響が抑えられる。これに対して、判定部が燃料電池システムの外部における電気異状状態であると判定するとき、変更制御部は、燃料電池の発電運転を直ちに停止させるのではなく、燃料電池の保護操作を実行する。従って燃料電池に対する保護性を高めることができ、燃料電池の耐久性を高めることができる。ここで、燃料電池が発電運転しているとき、燃料電池の発電運転を直ちに停止させることは、燃料電池の耐久性を高めるためには好ましくない。そこで、燃料電池の保護操作は、燃料電池の発電運転を少なくとも所定時間継続させることをいう。所定時間としては、燃料電池システムに応じて設定され、１分以上、２分以上、５分以上、１０分以上、３０分以上、６０分以上が挙げられる。そのまま、燃料電池の発電を継続させても良い。要するに、『所定時間継続』は、燃料電池の発電運転を直ちに停止させないことをいう。従って、保護操作は、燃料を燃料電池の燃料極に所定時間以上継続して供給すると共に、酸化剤を燃料電池の酸化剤極に所定時間以上継続して供給することをいう。

・好ましくは、判定部が燃料電池システムの内部における電気異状状態であると判定するとき、変更制御部は、他電源と燃料電池システムとの電気接続を遮断させ、且つ、燃料電池に対して燃料の供給および酸化剤の供給を停止させることにより燃料電池の発電運転を強制的に停止させ、且つ、判定部が燃料電池システムの外部における電気異状状態であると判定するとき、変更制御部は、他電源と燃料電池システムとの電気接続を遮断させ、且つ、燃料電池に対して燃料の供給および酸化剤の供給を継続させて燃料電池の発電運転を継続させる。電気異状状態は漏電が代表的なものである。

・好ましくは、記憶部が設けられており、判定部が燃料電池システムの内部における電気異状状態であると判定するとき、第１変更制御部は、燃料電池システムの内部における電気異状状態であると判定された状態における燃料電池システムに搭載されている各機器の作動情報を記憶部に記憶させる。記憶部としては、内部記憶部でも、付設される外部記憶部でも良い。ＩＣメモリ、磁気メモリが例示される。具体的には不揮発性メモリ等のメモリが挙げられる。

・好ましくは、燃料電池が発電した直流電力を交流電力に変換させるインバータが燃料電池と他電源との間に設けられており、他電源とインバータとの間には、他電源とインバータとを接続および遮断可能なスイッチング素子が設けられている。スイッチング素子はリレースイッチ、マイクロスイッチ、半導体スイッチでも良い。

本発明によれば、燃料電池システムの内部における電気異状状態であるか、燃料電池システムの外部における電気異状状態であるか否かにより、燃料電池システムの発電運転の内容を変更する。従って、電気異状状態が発生するときであっても、燃料電池の発電運転している燃料電池の発電運転を直ちに停止させる頻度が低減される。故に、燃料電池の保護性および耐久性を高めることができる。

以下、本発明の実施形態について図１〜図３を参照して説明する。

（全体構成）
図１において、燃料電池システム（以下、単にシステムともいう）１００は、一般家庭、または業務店、ビル等に設置される定置用であり、冷却水（冷媒）が流れる冷却通路を有する燃料電池のスタック１と、冷却水（冷却液）をスタック１の冷却通路１０に流してスタック１を冷却する主冷却回路２と、主冷却回路２から分岐して設けられ主冷却回路２を流れる冷却水の一部を流し主冷却回路２に戻す分岐回路３と、分岐回路３に設けられ分岐回路３を流れる冷却水（冷媒）を処理する冷却水処理部（冷媒処理部）として機能するイオン交換器４と、これらを収容する収容室６０をもつパッケージ６（筐体）とを有する。スタック１の膜電極接合体は固体高分子型のイオン伝導膜（例えば炭化フッ素系、炭化水素系）を有しており、シート型でも良いしチューブ型でも良い。

イオン交換器４は、容器４０と、容器４０内に交換可能に収容された粒状またはシート状のイオン交換樹脂（冷媒浄化処理材料）の集合体とを有する。従ってシステム１００の発電運転中においてイオン交換器４は冷却水の電気伝導度を常に低減できるように設定されている。

分岐回路３は、主冷却回路２からイオン交換器４の入口４ｉに向かう往路３０と、イオン交換器４の出口４ｐから主冷却回路２に向かう復路３１とを有する。

ここで、主冷却回路２を流れる冷却水の温度の温度を検出するために、スタック１の冷却通路１０の入口温度Ｔ１を検出する入口温度センサ２０が設けられている。スタック１の冷却通路１０の出口温度Ｔ２を検出するために、出口温度センサ２１が設けられている。分岐回路３のうちイオン交換器４の温度Ｔ３を検出するために、温度センサ３５が設けられている。

本実施形態によれば、分岐回路３の始端３ａは、主冷却回路２のうち第１ポンプ２３の吐出口側に繋がれており、終端３ｃは主冷却回路２のうち第１ポンプ２３の吸入口側に繋がれている。結果として、始端３ａは、スタック１の冷却通路１０の入口１０ｉの上流に繋がれている。

本実施形態によれば、主冷却回路２のうちスタック１の冷却通路１０の出口１０ｐから入口１０ｉにかけて、出口温度センサ２１、電気ヒータ２９、第１熱交換器２２、第１ポンプ２３（第１搬送源）、アノード凝縮器２４、入口温度センサ２０が直列に設けられている。なお、電気ヒータ２９は、スタック１の起動時等のように主冷却回路２を流れる冷却水の温度が過剰に低いときに、冷却水を暖めるものである。スタック１の定常運転時には、基本的には、電気ヒータ２９はオフとされている。

第１ポンプ２３が作動すると、主冷却回路２の冷却水は、アノード凝縮器２４で受熱し、入口温度センサ２０を経て、スタック１の入口１０ｉから冷却通路１０に流れ、スタック１から受熱し、冷却通路１０を経て出口１０ｐから吐出され、更に温度センサ２１、電気ヒータ２９、第１熱交換器２２を順に流れる。このため、スタック１が発電するときに発生した熱は、主冷却回路２の冷却水に回収される。更に、改質装置７０で発生したアノードガスの熱はアノード凝縮器２４を経て主冷却回路２の冷却水に回収される。なお、主冷却回路２の冷却水は電気伝導度が低い液体が採用されている。

スタック１の燃料極であるアノードにアノードガス（例えば水素含有ガス等の燃料）を供給するアノードガス供給系７について説明する。アノードガス供給系７は、改質装置７０と、改質装置７０を改質反応に適するように加熱するバーナ７１と、バーナ７１に燃焼用空気を供給する空気ポンプ７２（燃焼用空気搬送源）と、改質装置７０に燃料原料（天然ガス等）を供給する燃料ポンプ７３（燃料原料搬送源）と、改質装置７０の蒸発部に水（純水）を供給する水ポンプ７４（改質用水搬送源）と、改質装置７０の出口７０ｐとスタック１のアノード入口とをアノード凝縮器２４およびアノード入口バルブ７５を経て繋ぐアノードガス供給通路７６（燃料通路）とを有する。ここで、改質装置７０で生成されたアノードガスは、アノードガス供給通路７６を介してスタック１のアノード（燃料極）に供給される。

スタック１の酸化剤極であるカソードにカソードガス（例えば空気等の酸素含有ガス等の酸化剤ガス）を供給するカソードガス供給系８について説明する。カソードガス供給系８は、カソードガス供給通路８０（酸化剤通路）と、カソードガス供給通路８０に設けられたポンプ８１（カソードガス供給源）、加湿器８２とを有する。ポンプ８１が作動すると、カソードガスは加湿器８２の加湿部で加湿された後、スタック１のカソード（酸化剤極）に供給される。

アノードオフガス排出系９０について説明する。オフガスとは、スタック１において発電反応を経たガスという意味である。図１に示すように、アノードオフガス排出系９０は、スタック１のアノードのアノード出口とバーナ７１とを繋ぐアノードオフガス通路９１と、アノードオフガス通路９１に設けられたアノード出口バルブ９２と、アノードオフガス通路９１に設けられたアノードオフガス凝縮器９３とを有する。ここで、スタック１のアノード出口から排出されたアノードオフガスは可燃成分を含むため、アノードオフガス凝縮器９３で水分を低下させた後、バーナ７１に供給され、燃焼される。

カソードオフガス排出系９５について説明する。図１に示すように、カソードガス排出系９５は、スタック１のカソード出口から排出されたカソードオフガスを加湿器８２の吸湿部を経て流すカソードオフガス通路９６と、カソードオフガス通路９６に設けられたカソードオフガス凝縮器９７とを有する。ここで、スタック１のカソード出口から排出されたカソードオフガスは、加湿器８２の吸湿部で吸湿された後、カソードオフガス凝縮器９７で水分を更に低下させ排気される。

バイパス系は、アノードガス供給通路７６から分岐されてアノードオフガス通路９１に向かうパイパス通路１０１と、パイパス通路１０１に設けられたパイパスバルブ１０２とを有する。起動時等のように、アノードガスの組成が充分安定していないとき、バルブ７５が閉鎖した状態で、パイパスバルブ１０２が開放すると、アノードガス供給通路７６を流れるアノードガスは、スタック１のアノードを迂回し、パイパスバルブ１０２を介してアノードオフガス通路９１に供給され、バーナ７１で燃焼される。

図１に示すように、排熱回収系１２０は、第２ポンプ１２２（水搬送源）、アノードオフガス凝縮器９３、カソードオフガス凝縮器９７、燃焼排気熱交換器１２５、第２熱交換器１２７を経て循環する循環回路１２８を有する。第２ポンプ１２２が作動すると、循環回路１２８を冷却水（冷媒）が循環し、アノードオフガス凝縮器９３、カソードオフガス凝縮器９７、燃焼排気熱交換器１２５の熱が回収される。これにより循環回路１２８を流れる冷却水が加熱される。

貯湯系１３０について説明する。図１に示すように、貯湯系１３０は、温水を貯留する貯湯槽１３１と、貯湯槽１３１の吐出口と貯湯槽１３１の吸入口とを繋ぐ貯湯回路１３２と、貯湯回路１３２に順に配置された第３ポンプ１３３（水搬送源）、第２熱交換器１２７、第１熱交換器２２とを有する。第３ポンプ１３３が作動すると、貯湯回路１３２を流れる水が第２熱交換器１２７および第１熱交換器２２を経て加熱される。すなわち、排熱回収系１２０で回収された熱は、第２熱交換器１２７により貯湯回路１３２の温水として回収される。主冷却回路２で回収された熱は第１熱交換器２２により貯湯回路１３２の温水として回収される。貯湯槽１３１は、貯湯槽１３１内の温度を検出する温度センサ１３１ｍを有する。温度センサ１３１ｍの数および位置は適宜設定される。貯湯槽１３１は満水となるように制御されており、温度センサ１３１ｍが検知する温度により貯湯槽１３１の蓄熱エネルギは把握される。

なお、貯湯槽１３１において不足する水は、補給通路１３５から補給される。温水は給湯通路１３７から温水消費部に向けて吐出される。後述するマイコン２４０は、出力処理回路を介して、ポンプ２３、１２２、１３３、８１、７２、７３、７４、バルブ７５、９２、１０２、電気ヒータ２９をそれぞれ制御する制御信号を出力する。

発電運転時にはスタック１は発電反応により発熱して次第に昇温する。昇温する度合が高く、スタック１が過剰昇温されると、スタック１の発電性能に影響を与える。そこでマイコン２４０は、第１ポンプ２３を作動させ、主冷却回路２の冷却水を循環させ、スタック１の冷却回路に流すことによりスタック１を冷却し、スタック１の過剰昇温を防止する。主冷却回路２を流れる冷却水の一部は、分岐回路３の往路３０に自動的に流れ、イオン交換器４を流れ、復路３１から主冷却回路２のうち第１ポンプ２３の吸入側に帰還する。このように冷却水がイオン交換器４を流れると、冷却水に含まれている不純物は低減または除去され、冷却水の純度は増加し、冷却水の電気伝導度が低下し、冷却水の電気絶縁性が高くなる。このように冷却水の電気伝導度が低下し、冷却水の電気絶縁性が高くなれば、スタック１で発生された電気エネルギの損失が抑制される。

（要部構成）
図２および図３は本実施形態の要部構成を示す。図２に示すように、上記したシステム１００は、商用電源３００（他電源）と系統連系されて接続されている。システム１００は、スタック１が発電した直流電力を交流電力に変換させる変換機能をもつインバータ２００と、インバータ２００と商用電源３００との間に配置された漏電検出出力機能付きのシステムブレーカ２１０と、各種の補機類２２０ｆ，２２０ｓ，２２０ｔと、警報器２２０ｒを備えている。補機類２２０ｆ，２２０ｓ，２２０ｔは直流作動型である。図２においては、便宜上、補機類２２０ｆは、システム１００の内部に搭載されている各ポンプ２３、１２２、１３３、８１、７２、７３、７４に相当するとして取り扱う。また、便宜上、補機類２００ｓは、システム１００の内部に搭載されているバルブ７５、９２、１０２に相当するとして取り扱う。補機類２２０ｔはシステム１００内の他の機器（補機類２２０ｆ、補機類２００ｓ以外の補機類）に相当する。

図２に示すように、インバータ２００に搭載されている制御部２０９は、システムブレーカ２１０に信号線２１１を介して接続されたマイコン２４０と、マイコン２４０からの書込指令Ｓ３により各種の情報を所定のエリアに格納するメモリ２６０とを有する。マイコン２４０は、システム１００の発電運転が強制的に停止されたとしても、バックアップ用電源２４５により作動可能とされている。

メモリ２６０は不揮発性メモリで形成されていることが好ましい。商用電源３００は、電線３０１〜３０３および配電盤漏電ブレーカ２８０を介して家庭用負荷６００（負荷）と接続されている。家庭用負荷６００は、家庭内で電力により作動される機器を意味する。業務店の場合には、家庭用負荷６００は業務用負荷に相当する。

図２に示すように、配電盤漏電ブレーカ２８０および家庭用負荷６００は、システム１００の外部に設けられており、図示しないものの、単相３線電流三相電流が流れる３本の電線３０１，３０２，３０３を貫通させるリング状のＺＣＴ（零相変流器）と、増幅器で形成された零相検出部とを有する。電線３０１，３０２，３０３（単相３線）は、システム１００の内部に設けられているシステムブレーカ２１０を介してインバータ２００に接続されている。インバータ２００はアース線２９０により接地されている。システム１００の内部においてシステムブレーカ２１０とインバータ２００との間には、解列リレーとも呼ばれるスイッチング素子２７０と、電圧不足検出要素として機能する電圧計２７２とが設けられている。スイッチング素子２７０がオフされると、商用電源３００とシステム１００のインバータ２００との接続（系統連系）が遮断される。電圧計２７２はインバータ２００の電圧を検出することにより、インバータ２００の電圧不足を検出する。

システムブレーカ２１０は漏電検出器２８１（電気異状状態検出器）をもつ。漏電検出器２８１は、システム１００の内部における漏電（電気異状状態）を検出する検出部として機能するものであり、周知なように三相電流ｉａ，ｉｂ，ｉｃが流れる３本の電線２０１，２０２，２０３を貫通させるリング状のＺＣＴ２８２（零相変流器）と、増幅器で形成された零相検出部２８３とを有する。システム１００の内部に漏電が発生していない場合には、三相電流ｉａ，ｉｂ，ｉｃのベクトル和は常に零であり、ＺＣＴ２８２の二次巻線２８５に誘起される起電力ｖｇは零となり、ＺＣＴ２８２には電流が流れない。

しかしながら三相電流ｉａ，ｉｂ，ｉｃのいずれかに漏電が発生しているときには、ベクトル和は零とならず、ＺＣＴ２８２の二次巻線２８５に二次電圧ｖｇが誘起され、ＺＣＴ２８２に二次巻線２８５に二次電流が流れ、漏電検出器２８１は、電線２０１，２０２，２０３のいずれかにおける漏電（電気異状状態）を検出する。漏電検出信号Ｓ１は信号線２１１を介してマイコン２４０に入力される。

本実施形態によれば、システム１００と商用電源３００とは系統連系しており、システム１００のスタック１が発電する電力では家庭用負荷６００を作動させる電力に足りないときには、商用電源３００の電力が連系される。さて、スタック１が発電運転しているにもかかわらず、家庭用負荷６００を作動させるための電圧がインバータ２００において不足するときがある。この場合、家庭用負荷６００の漏電等により配電盤漏電ブレーカ２８０が作動するとき、あるいは、商用電源３００の停電のとき、あるいは、システム１００における漏電のときが考えられる。

インバータ２００において電圧が不足することは、電圧計２７２で検出され、その信号はマイコン２４０に入力される。インバータ２００において電圧が不足するとき、マイコン２４０は、先ず、スイッチング素子２７０をオフとし、商用電源３００とシステム１００のインバータ２００との接続を遮断させる。更に、マイコン２４０は、システム１００の内部において漏電（電気異状状態）が発生しているか否かを判定する。システム１００の内部において漏電（電気異状状態）が発生していると、マイコン２４０が判定するとき、システム１００のスタック１が発電運転中であるにもかかわらず、スタック１の発電運転を直ちに強制的に停止させる。すなわち、マイコン２４０はバルブ７５，９２，１０２等のバルブを閉鎖させる。更にポンプ２３，１２２，１３３，８１，７２，７３，７４を強制的に停止させる。これによりアノードガスをスタック１のアノードに供給することを強制的に停止し、且つ、カソードガスをスタック１のカソードに供給することを強制的に停止させる。

この結果、改質用の水蒸気を含む燃料原料が改質装置７０内に封入されたまま、改質装置７０が密閉され、その状態で改質装置７０が冷却される。また、加湿されたアノードガスがスタック１のアノードに封入され、加湿されたカソードガスがスタック１のカソードに封入されたまま、スタック１が密閉され、その状態でスタック１が冷却される。

更に、マイコン２４０は、その状態（システム１００の内部で漏電が発生したと判定した時点）におけるシステム１００の各補機類２２０ｆ，２２０ｓ，２２０ｔ（機器）の作動情報をメモリ２６０の所定のエリアに記憶させる。スタック１の発電電力がなくなったとしても、バックアップ用電源２４５の電力によりマイコン２４０はメモリ２６０への書き込みを行うことができる。

上記した作動情報は、補機類２２０ｆ，２２０ｓ，２２０ｔ等に対する指令値および出力値とを含む。作動情報は、具体的には、異状コード、時刻、スタック１の発電電圧、電流、バルブ７５，９２，１０２の開度、ポンプ２３，１２２，１３３，８１，７２，７３，７４の回転数、入口温度センサ２０の検出温度、出口温度センサ２１の検出温度、温度センサ３５の検出温度、電気ヒータ２９への給電量、改質装置７０の温度、貯湯槽１３１の温度、水位となる温水量等の情報である。従って、作業者は、システム１００の内部で漏電が発生したと判定したときにおける補機類２２０ｆ，２２０ｓ，２２０ｔの作動情報を認識することができる。表１および表２は、メモリ２６０のエリアに書き込む情報の一例を示す。

なお、システム１００の内部で漏電が発生するときには、商用電源３００側は正常であるにも拘わらず、配電盤漏電ブレーカ２８０は作動せず、商用電源３００と家庭用負荷６００とは接続可能であるため、商用電源３００により家庭用負荷６００が作動される。

また、インバータ２００における電圧が低下しているものの、システム１００の内部おける漏電（電気異状状態）でないときには、その電圧低下の要因としては、家庭用負荷６００の漏電または商用電源３００の停電であると推定される。このため、マイコン２４０は、スイッチング素子２７０のオフ状態を維持しつつ、すなわち、システム１００のインバータ２００およびスタック１と商用電源３００との接続が遮断されている状態を維持しつつ、システム１００のスタック１を自立的に発電運転させる。従って、改質装置７０の改質運転を維持し、アノードガスをスタック１のアノードに供給すると共に、カソードガスをスタック１のカソードに供給し、スタック１の発電運転を継続させる。このように発電運転しているスタック１の発電運転を直ちに強制的に停止させることが抑止される。このためスタック１の保護性および耐久性を高めることができる。

図３は、マイコン２４０が実行する制御のフローチャートの一例を示す。フローチャートはこれに限定されるものではない。図３に示すように、先ず、マイコン２４０は、システム１００のスタック１が発電運転しているか否か判定する（ステップＳ１００）。システム１００のスタック１が発電運転している場合（ステップＳ１００のｙｅｓ）には、マイコン２４０は、電圧計２７２が示す電圧を読み込む（ステップＳ１０２）。マイコン２４０は、電圧計２７２の結果に基づいて、インバータ２００の電圧が不足しているか否かを判定する（ステップＳ１０４）。すなわち、インバータ２００の電圧低下は、電圧計２７２で電圧の位相ずれや周波数のずれをマイコン２４０が検知し、このずれが所定値以上であると、電圧低下発生と判定する。インバータ２００の電圧が不足していなければ（ステップＳ１０４のｎｏ）、メインルーチンにリターンする。

インバータ２００の電圧が不足していれば（ステップＳ１０４のｙｅｓ）、マイコン２４０は、スイッチング素子２７０をオフとし（ステップＳ１０８）、システム１００のインバータ２００およびスタック１と商用電源３００との接続を遮断する。次に、システムブレーカ２１０の漏電検出器２８１から漏電検出信号Ｓ１がメモリ２６０に記憶されているか否かを判定する（ステップＳ１１０）。漏電検出器２８１から漏電検出信号Ｓ１が出力されたときには、その旨はメモリ２６０の所定のエリアに一時記憶される。漏電検出信号Ｓ１が発生していた場合には（ステップＳ１１０のｙｅｓ）、マイコン２４０は警報器２２０ｒに警報を出力する（ステップＳ１１２）と共に、その時点におけるシステム１００の各作動情報をメモリ２６０の所定のエリアに書き込む（ステップＳ１１４）。次に、マイコン２４０は、システム１００の発電運転を強制的に停止させる（ステップＳ１１６）。具体的には、スタック１の発電運転を停止させるべく、マイコン２４０は、各ポンプ２３，１２２，１３３，８１，７２，７３，７４を強制的に停止させると共に、各バルブ７５，９２，１０２を強制的に閉鎖する。

ステップＳ１１０における判定の結果、システムブレーカ２１０の漏電検出器２８１から漏電検出信号Ｓ１がマイコン２４０に入力されていない場合には（ステップＳ１１０のｎｏ）、インバータ２００における電圧が低下しているものの、その要因は、システム１００の内部の漏電ではなく、家庭用負荷６００の漏電、または、商用電源３００の停電であると考えられる。すなわち、その要因は、システム１００の外部の電気異状状態であると考えられる。このため、システム１００のインバータ２００およびスタック１と商用電源３００との接続が遮断されている状態を維持しつつ、マイコン２４０は、スタック１の発電運転を継続すべく、燃料電池システム１を自立運転させる（ステップＳ１２０）。この場合、具体的には、スタック１にアノードガスおよびカソードガスを供給することを継続することにより、スタック１の発電運転を継続させる。このため、マイコン２４０は、バルブ７５，９２，１０２の開度を制御し、ポンプ２３，１２２，１３３，８１，７２，７３，７４の作動を制御する。この場合、スイッチング素子２７０はオフであるため、スタック１の発電電力は、家庭用負荷６００（負荷）に給電されず、上記したバルブおよびポンプの作動、および／または、電気ヒータ２９の発熱において消費される。燃料電池システム１の自立運転時におけるスタック１の発電電力は、定格運転時の発電電力でも良いが、定格運転時の発電電力の７０％以下、５０％以下、３０％以下が好ましい。この場合、スタック１の発電電力を経時的に徐々に低減させていくことが好ましい。

スタック１の発電電力を定格運転時の発電電力未満が好ましい理由としては、システム１００のインバータ２００と商用電源３００との接続が遮断されているため、スタック１の電力が家庭用負荷６００に給電されないためである。定格運転とは、指定された条件のもとで連続的に運転できるように、製造者が保証する使用上の限界をいい、一般的には銘板やカタログに記載されている。

ところで、スタック１の発電運転を強制的に急激に停止させることは、スタック１の保護性を確保するため好ましくない。発電運転が強制的に急激に停止すると、例えば、改質装置７０の内部、スタック１の内部、加湿器８２の内部において過剰な凝縮水が発生することがある。この場合、次回の起動に影響を与えるため、好ましくない。更にスタック１のイオン伝導膜や触媒、改質装置７０の触媒等に影響を与えるおそれがある。

そこで本実施形態によれば、システム１００のスタック１が発電運転中にもかかわらず、インバータ２００における電圧が不足する場合には、システム１００の内部の漏電が検出されないとき、システム１００の内部の電気異状状態ではないため、スタック１を保護するため、スタック１に対するアノードガスおよびカソードガスの供給を継続させ、これによりスタック１の発電を継続させる（ステップＳ１２０）。この場合、スイッチング素子２７０によりシステム１００のインバータ２００と商用電源３００側の家庭用負荷６００との接続は遮断されているため、システム１００の発電電力は家庭用負荷６００に給電されない。

そこでスタック１が発電した電力を消費する必要がある。このため、マイコン２４０は、貯湯槽１３１に蓄積されている熱エネルギに関する情報を読み込む。すなわち、温度センサ１３１ｍにより、貯湯槽１３１に貯蔵されている温水の熱エネルギの情報を読み込む（ステップＳ１２２）。そして、マイコン２４０は、温水エネルギを貯湯槽１３１にまだ温水エネルギとして貯蔵できるか否かを判定する（ステップＳ１２４）。貯湯槽１３１の温水エネルギがしきい値であるときには、温水エネルギをそれ以上、貯湯槽１３１に貯蔵することができない。それ以外は、まだ、温水エネルギを貯湯槽１３１に貯蔵できると判定される（ステップＳ１２４のｙｅｓ）。この場合、マイコン２４０は、電気ヒータ２９への給電量を増加させ、スタック１の発電電力を電気ヒータ２９の発熱で消費させる（ステップＳ１２６）。

更に、ポンプ２３の単位時間あたりの回転数（作動量）を増加させる（ステップＳ１２６）。これにより、スタック１から受熱するために主冷却回路２を流れる単位時間当たりの冷却水の循環流量を増加させる。且つ、ポンプ１３３の単位時間あたりの回転数（作動量）を増加させる。これにより熱交換器２２において主冷却回路２から貯湯回路１３２への伝熱量を増加させる。ひいては貯湯回路１３２を流れる温水の温度を高め、ひいては貯湯槽１３１に貯湯されている温水の温度を高め、温水エネルギとして貯蔵させる。このように貯湯槽１３１の熱エネルギとして貯湯槽１３１において蓄積される。ステップＳ１２６から、再びステップＳ１２０に戻る。

貯湯槽１３１の温水エネルギが満杯であり、温水エネルギを貯湯槽１３１に貯蔵できない場合には（ステップＳ１２４のｎｏ）、燃料電池システムの発電運転を停止させる（ステップＳ１１６）。具体的には、スタック１の発電運転を停止させるべく、マイコン２４０は、各ポンプ２３，１２２，１３３，８１，７２，７３，７４を停止させると共に、各バルブ７５，９２，１０２を閉鎖し、スタック１に対するアノードガス及びカソードガスの供給を停止させる。上記したステップＳ１１６，１２０は変更制御部に相当する。ステップＳ１１０は判定部に相当する。

本実施形態によれば、燃料電池システム１００を自立運転させているとき（ステップＳ１２０）、家庭用負荷６００の漏電や商用電源３００の停電が回復した場合には、漏電や停電の回復後に、マイコン２４０は、スイッチング素子２７０をオンしてスタックの発電出力を家庭用負荷６００に供給することができる。このように家庭用負荷６００の漏電や商用電源３００の停電が発生したとしても、燃料電池システム１００が自立運転するため、燃料電池システム１００の強制停止が避けられる。

以上説明したように本実施形態によれば、システム１００の内部における電気異状状態であるか、システム１００の外部における電気異状状態であるか否かにより、マイコン２４０は、システム１００の発電運転の内容を変更する。これによりシステム１００の内部における電気異状状態である場合には、マイコン２４０は、スタック１の発電運転を直ちに停止させる。これに対してシステム１００の外部における電気異状状態である場合には、発電運転しているスタック１を直ちに停止させることを回避し、スタック１の発電運転を継続させ、スタック１の保護性を高め、スタック１の耐久性を高めることができる。殊に、スタック１の発電電力を、これの定格運転の発電電力未満とさせることが好ましい。

本実施形態によれば、システム１００の内部における電気異状状態であるか、システム１００の外部における電気異状状態であるか否かを判定するマイコン２４０の判定結果に応じて、マイコン２４０は、システム１００の発電運転の内容を変更する。従って燃料電池であるスタック１に対する保護性および耐久性を高めることができる。

（実施形態２）
図４は実施形態２を示す。本実施形態は実施形態１と基本的には同様の構成、同様の作用効果を有する。以下、異なる部分を中心として説明する。実施形態１によれば、システム１００の内部においてシステムブレーカ２１０は廃止されている。本実施形態によれば、図４に示すように、商用電源３００と家庭用負荷６００とは、配電盤漏電ブレーカ２８０を介して接続されている。家庭用負荷６００と配電盤漏電ブレーカ２８０との間の三相の電線３０１，３０２，３０３は、配電盤過電流ブレーカ４００を介して、システム１００の内部のインバータ２００にスイッチング素子２７０を介して接続されている。配電盤過電流ブレーカ４００は、システム１００用のブレーカであるが、システム１００の外部に設けられている。

図４に示すように、システム１００の内部において、漏電検出器２８１が配電盤過電流ブレーカ４００とインバータ２００との間に設けられている。漏電検出器２８１はシステム１００の内部における漏電（電気異状状態）を検出するための検出部として機能するものであり、三相電流ｉａ，ｉｂ，ｉｃが流れる３本の電線２０１，２０２，２０３を貫通させるリング状のＺＣＴ（零相変流器）２８２と、増幅器で形成された零相検出部２８３とを有する。前述したように、三相電流ｉａ，ｉｂ，ｉｃのいずれかに漏電が発生しているとき、ベクトル和は零とならず、ＺＣＴ２８２に二次巻線に起電力が発生し、漏電検出器２８１は漏電（電気異状状態）を検出する。起電力に基づく漏電検出信号Ｓ１は、信号線２１１を介してマイコン２４０に入力される。これによりシステム１００の内部における電気異状状態であるか、システム１００の外部における電気異状状態であるか否かを、マイコン２４０が判定することができる。

（実施形態３）
図５は実施形態３を係るフローチャートを示す。本実施形態は実施形態１と基本的には同様の構成、同様の作用効果を有する。図５は図３に示すフローチャートと基本的には同様の構成である。以下、異なる部分を中心として説明する。本実施形態によれば、システム１００のスタック１が発電運転中にもかかわらず、インバータ２００における電圧が不足する場合には、システム１００の内部の漏電が検出されていないとき（ステップＳ１１０のｎｏ）、システム１００の内部の電気異状状態ではない。このためスタック１を保護するため、マイコン２４０はシステム１００の自立運転を継続する（ステップＳ１２２）。自立運転時の発電電力としては、システム１００の定格運転の発電電力の６０％以下、５０％以下、４０％以下、３０％以下とすることが好ましい。なお、この場合、スイッチング素子２７０によりシステム１００のインバータ２００と商用電源３００側の家庭用負荷６００との接続は遮断されているため、システム１００の発電電力は家庭用負荷６００に給電されない。

システム１００の自立運転を実施させるにあたり、自立運転の時間ＴＷを計測するため、マイコン２４０は、時間ＴＷ用のタイマをインクメントし（ステップＳ１２０）、時間ＴＷが終了するまでシステム１００を自立運転させる（ステップＳ１２２）。そして、自立運転の時間ＴＷが終了していれば（ステップＳ１２４のｙｅｓ）、マイコン２４０は、ステップＳ１１６に進み、システム１００の発電運転を強制的に停止させる。

自立運転の時間ＴＷが終了していなければ（ステップＳ１２４のｎｏ）、貯湯槽１３１に蓄積されている熱エネルギの情報を読み込む。すなわちマイコン２４０は、温度センサ１３１ｍの温度信号に基づいて、貯湯槽１３１に貯蔵されている温水エネルギを読み込む（ステップＳ１２６）。さらに、マイコン２４０は、温水エネルギを貯湯槽１３１にまだ温水の熱エネルギとして貯蔵できるか否かを判定する（ステップＳ１２８）。

貯湯槽１３１の温水の熱エネルギがしきい値を超えているとき、温水エネルギを貯湯槽１３１にそれ以上貯蔵できないため（ステップＳ１２８のｎｏ）、マイコン２４０はシステム１００の発電運転を停止させる（ステップＳ１１６）。それ以外は、マイコン２４０は温水エネルギを貯湯槽１３１に貯蔵できると判定する（ステップＳ１２８のｙｅｓ）。この結果、マイコン２４０は、電気ヒータ２９への給電量を増加させ、スタック１の発電電力を電気ヒータ２９の発熱で消費させる（ステップＳ１３０）。更に、ポンプ２３の単位時間あたりの回転数（作動量）を増加させる（ステップＳ１３０）。これにより、スタック１から受熱するために主冷却回路２を流れる単位時間当たりの冷却水の循環流量を増加させる。且つ、ポンプ１３３の単位時間あたりの回転数（作動量）を増加させる。これにより熱交換器２２において主冷却回路２から貯湯回路１３２への伝熱量を増加させる。ひいては貯湯回路１３２を流れる温水の温度を高める。ひいては貯湯槽１３１に貯湯されている温水の温度を高め、温水エネルギとして貯蔵させる。再びステップＳ１２０に戻り、タイマのカウントを増加させる。貯湯槽１３１の温水エネルギが満杯であり、温水エネルギを貯湯槽１３１に貯蔵できない場合には（ステップＳ１２８のｎｏ）、システム１００の発電運転を停止させる（ステップＳ１１６）。具体的には、スタック１の発電運転を停止させるべく、マイコン２４０は、各ポンプ２３，１２２，１３３，８１，７２，７３，７４を停止させると共に、各バルブ７５，９２，１０２を閉鎖し、スタック１に対するアノードガス及びカソードガスの供給を停止させる。上記したステップＳ１１６，１２２は変更制御部に相当する。ステップＳ１１０は判定部に相当する。

本実施形態によれば、燃料電池システム１００を自立運転させているとき（ステップＳ１２２）、家庭用負荷６００の漏電や商用電源３００の停電が回復した場合には、漏電や停電の回復後に、マイコン２４０は、スイッチング素子２７０をオンしてスタック１の発電出力を家庭用負荷６００に供給することができる。このように家庭用負荷６００の漏電や商用電源３００の停電が発生したとしても、燃料電池システム１００が自立運転するため、燃料電池システム１００の強制停止が避けられる。

（その他）
本発明に係るシステム１００は、図１に示すシステムの配置および構造に限定されるものではなく、配置および構造は必要に応じて適宜変更できるものである。必ずしも加湿器が搭載されていなくても良い。改質装置がシステム１００に搭載されておらず、水素ガスを貯蔵する貯蔵部がシステム１００に搭載されていても良い。漏電等の電気異常状態がシステム１の内部に発生していないときには、スタック１の発電で発生した電力の多くを電気ヒータ２９で消費させ、貯湯槽１３１の温水エネルギとして貯蔵させることにしているが、これに限らず、貯湯槽１３１に電気ヒータを設け、貯湯槽１３１の電気ヒータを発熱させることにしても良い。電気ヒータは貯湯回路１３２に設けられていても良い。パイパス通路１０１およびパイパスバルブ１０２を廃止しても良い。図１に示す凝縮器９３，９７，２４等は必要に応じて設ければ良い。イオン交換器４は必要に応じて設ければ良い。

本発明は上記し且つ図面に示した実施形態のみに限定されるものではなく、要旨を逸脱しない範囲内で適宜変更して実施可能である。ある実施形態に特有の構造および機能は他の実施形態についても適用できる。本明細書の記載から次の技術的思想が把握される。
［付記項１］他電源と接続可能な燃料電池と、前記燃料電池の燃料極に燃料を供給する燃料通路と、前記燃料電池の酸化剤極に酸化剤を供給する酸化剤通路とを有する燃料電池システム。
［付記項２］他電源と接続可能な燃料電池と、燃料電池の燃料極に燃料を供給する燃料通路と、燃料電池の酸化剤極に酸化剤を供給する酸化剤通路とを有する燃料電池システムであって、負荷を作動させる電圧が不足するとき、燃料電池システムの内部における電気異状状態を検出する検出部と、負荷を作動させる電圧が不足するとき、燃料電池システムの内部における電気異状状態であるか燃料電池システムの外部における電気異状状態であるか否かを判定する判定部と、判定部の判定に応じて燃料電池システムの発電運転の内容を変更する変更制御部とを具備する。
［付記項３］他電源と接続可能な燃料電池と、前記燃料電池の燃料極に燃料を供給する燃料通路と、前記燃料電池の酸化剤極に酸化剤を供給する酸化剤通路とを有する燃料電池システムであって、負荷を作動させる電圧が不足するとき、前記燃料電池システムの内部における電気異状状態を検出する検出部を具備する燃料電池システム。電圧が不足するとき、検出部は、燃料電池システムの内部における電気異状状態を検出する。
［付記項４］請求項１において、前記変更制御部は、前記判定部が前記燃料電池システムの内部における電気異状状態であると判定するとき、前記燃料電池の発電運転を停止させる燃料電池システム。この場合、他に影響を与えることが抑えられる。
［付記項５］請求項１において、前記変更制御部は、前記判定部が前記燃料電池システムの外部における電気異状状態であると判定するとき、前記燃料電池の保護操作を実行する燃料電池システム。この場合、燃料電池の耐久性が向上する。
［付記項６］請求項１において、前記判定部が前記燃料電池システムの内部における電気異状状態であると判定するとき、前記変更制御部は、前記他電源と前記燃料電池システムとの電気接続を遮断させ、且つ、前記燃料電池に対して燃料の供給および酸化剤の供給を停止させることにより前記燃料電池の発電運転を停止させる燃料電池システム。この場合、他に影響を与えることが抑えられる。
［付記項７］請求項１において、前記判定部が前記燃料電池システムの外部における電気異状状態であると判定するとき、前記変更制御部は、前記他電源と前記燃料電池システムとの電気接続を遮断させ、且つ、前記燃料電池に対して燃料の供給および酸化剤の供給を継続させて前記燃料電池の発電運転を継続させる燃料電池システム。この場合、燃料電池の保護性および耐久性が向上する。

本発明は例えば定置用の燃料電池システムに適用できる。

実施形態１に係り、燃料電池システムのシステム図である。 実施形態１に係り、燃料電池システムの配線関係を示す図である。 実施形態１に係り、マイコンが実行するフローチャートである。 実施形態２に係り、燃料電池システムの配線関係を示す図である。 実施形態３に係り、マイコンが実行するフローチャートである。

符号の説明

図中、７６はアノードガス供給通路（燃料通路）、８０はカソードガス供給通路（酸化剤通路）、１００はシステム、２００はインバータ、２１０はシステムブレーカ、２１１は信号線、２２０ｆ，２２０ｓ，２２０ｔは補機類、２２０ｒは警報器、２４０はマイコン（判定部、変更制御部）、２６０はメモリ（記憶部）、３００は商用電源（他電源）、２８０は配電盤漏電ブレーカ、２８１は漏電検出器（検出部）、２８２はＺＣＴ、２８３は零相検出部、６００は家庭用負荷（負荷）を示す。

Claims (5)

1. 他電源と接続可能な燃料電池と、前記燃料電池の燃料極に燃料を供給する燃料通路と、前記燃料電池の酸化剤極に酸化剤を供給する酸化剤通路とを有する燃料電池システムであって、
   前記燃料電池システムの内部における電気異状状態を検出する検出部と、
   前記燃料電池システムの内部における電気異状状態であるか、前記燃料電池システムの外部における電気異状状態であるか否かを判定する判定部と、
   前記判定部の判定に応じて前記燃料電池システムの発電運転の内容を変更する変更制御部とを具備する燃料電池システム。
2. 請求項１において、前記変更制御部は、前記判定部が前記燃料電池システムの内部における電気異状状態であると判定するとき、前記燃料電池の発電運転を停止させ、且つ、前記判定部が前記燃料電池システムの外部における電気異状状態であると判定するとき、前記燃料電池の保護操作を実行する燃料電池システム。
3. 請求項１において、前記判定部が前記燃料電池システムの内部における電気異状状態であると判定するとき、前記変更制御部は、前記他電源と前記燃料電池システムとの電気接続を遮断させ、且つ、前記燃料電池に対して燃料の供給および酸化剤の供給を停止させることにより前記燃料電池の発電運転を停止させ、且つ、
   前記判定部が前記燃料電池システムの外部における電気異状状態であると判定するとき、前記変更制御部は、前記他電源と前記燃料電池システムとの電気接続を遮断させ、且つ、前記燃料電池に対して燃料の供給および酸化剤の供給を継続させて前記燃料電池の発電運転を継続させる燃料電池システム。
4. 請求項１〜３のうちの一項において、前記記憶部が設けられており、前記判定部が前記燃料電池システムの内部における電気異状状態であると判定するとき、前記変更制御部は、前記燃料電池システムの内部における電気異状状態であると判定された状態における前記燃料電池システムに搭載されている各機器の作動情報を前記記憶部に記憶させる燃料電池システム。
5. 請求項１〜４のうちの一項において、前記燃料電池が発電した直流電力を交流電力に変換させる前記インバータが前記燃料電池と前記他電源との間に設けられており、前記他電源と前記インバータとの間には、前記他電源と前記インバータとを接続および遮断可能なスイッチング素子が設けられている燃料電池システム。

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