JP2002056867A

JP2002056867A - 燃料電池発電システム

Info

Publication number: JP2002056867A
Application number: JP2000245112A
Authority: JP
Inventors: Hiroyuki Mizuochi; 洋行水落
Original assignee: Sekisui Chemical Co Ltd
Current assignee: Sekisui Chemical Co Ltd
Priority date: 2000-08-11
Filing date: 2000-08-11
Publication date: 2002-02-22

Abstract

(57)【要約】【課題】安定して負荷に見合った発電を行える燃料電
池発電システムを提供する。【解決手段】炭化水素化合物から水素を発生させる水
素供給装置１と、水素供給装置１から水素供給路４を経
てきた水素と酸素との電気化学的な反応により電力を取
り出す燃料電池２と、水素供給路４に接続されるととも
に水素貯蔵合金８ａを収納した水素貯蔵タンク８とを備
えている。水素貯蔵タンク８と燃料電池２との間の水素
供給路４には、燃料電池２への水素供給圧を所定圧に維
持する減圧弁１１と、流量調節弁１２が設けられてい
る。水素供給装置１は、通常では、定格運転される。燃
料電池２では、負荷１００に応じて発電量が変動し、こ
の発電量に見合った水素を消費する。流量調節弁１２
は、この消費量より所定量多い水素量が燃料電池に供給
されるように、開度を制御される。余剰水素は、戻し路
９を経て水素供給路４に戻される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、燃料電池を備えた
発電システムに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の一般的な燃料電池発電システム
は、都市ガス等の炭化水素化合物から水素を発生させる
改質器（水素供給装置）と、この改質器からの水素と酸
素との電気化学的な反応により電力を取り出す燃料電池
とを備えている。

【０００３】上記発電システムの利用を高めるために、
燃料電池は、電気負荷の大きさに応じて発電量を変化さ
せることが求められている。その場合、発電量に応じて
水素の消費量も変動するため、改質器はこの水素消費量
に見合った量の水素量を供給するように運転することが
求められる。そのため、改質器の定格運転時の水素供給
量（最大水素供給量）は、燃料電池が最大電力を発生さ
せる定格運転時の水素消費量と等しい。そして、燃料電
池が定格出力より低い領域で運転する場合、改質器も定
格出力より低い領域で運転することになる。しかし、改
質器は定格出力の５０％を下回る領域で運転すると、著
しく熱効率が悪化してしまう。

【０００４】特開昭５７−７８７７３号公報に開示され
た燃料電池発電システムは、水素貯蔵合金を収容した水
素貯蔵タンクを備えている。改質器を熱効率の高い条件
で定常運転し、改質器で発生した水素が、燃料電池で消
費しきれない場合には、余剰の水素を水素貯蔵合金に蓄
える。燃料電池での水素消費量が増大して改質器で発生
する水素だけでは足りない場合には、水素貯蔵合金から
水素を補充する。

【０００５】上記燃料電池では、改質器および必要に応
じて水素貯蔵タンクから水素の供給を受けながら、負荷
に見合った電力を発生させる。そして、発電量に見合っ
た水素を供給するため、燃料電池の排熱を利用して水素
貯蔵合金の温度を制御している。すなわち、発電量に応
じて排熱温度が高まると水素貯蔵合金の温度が高まり、
水素貯蔵合金から水素が放出される。発電量が低下して
排熱温度が低くなると、水素貯蔵合金の温度が低くな
り、余剰の水素を吸収する。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上記のように、水素貯
蔵合金を温度制御して水素の放出と吸収を制御し、燃料
電池への水素供給量を調節するが、応答性が悪く、燃料
電池での負荷に見合った発電量を確実に得ることが困難
であった。また、燃料電池での動作圧が不安定であり、
効率良い発電を行えなかった。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明の第１の態様は、
炭化水素化合物から水素を発生させる水素供給装置と、
この水素供給装置から水素供給路を経て送られてきた水
素と酸素との電気化学的な反応により電力を取り出す燃
料電池と、前記水素供給路に接続されるとともに水素貯
蔵合金を収納した水素貯蔵タンクとを備えた燃料電池発
電システムにおいて、前記水素貯蔵タンクと燃料電池と
の間の水素供給路に、燃料電池への水素供給圧を所定圧
に維持する減圧弁と、燃料電池への水素供給量を調節す
る流量調節弁とを設けたことを特徴とする。

【０００８】本発明の第２の態様は、第１態様の燃料電
池発電システムにおいて、さらに制御手段を設け、この
制御手段が、前記燃料電池への水素供給量が燃料電池で
の発電量に対応するように、流量調節弁の開度を調節す
ることを特徴とする。本発明の第３の態様は、第２態様
の燃料電池発電システムにおいて、さらに戻し路を備
え、この戻し路の一端が、前記燃料電池と前記減圧弁，
流量調節弁の間の水素供給路または燃料電池に接続さ
れ、戻し路の他端が、減圧弁，流量調節弁より上流側の
水素供給路または水素供給装置に接続され、前記制御手
段は、燃料電池への水素供給量が燃料電池での発電に必
要とされる水素消費量よりも所定量多くなるように、前
記流量調節弁の開度を制御し、その余剰水素を戻し路を
介して水素供給路または水素供給装置に戻すことを特徴
とする。

【０００９】本発明の第４の態様は、第１態様の燃料電
池発電システムにおいて、さらに、戻し路と制御手段を
備え、この戻し路の一端が、前記燃料電池と前記減圧
弁，流量調節弁の間の水素供給路または燃料電池に接続
され、戻し路の他端が、減圧弁，流量調節弁より上流側
の水素供給路または水素供給装置に接続され、前記制御
手段は、水素供給装置からの水素供給量が燃料電池で必
要とされる水素消費量より多い場合に、前記流量調節弁
を、上記燃料電池への水素供給量が水素消費量を下回ら
ない範囲で絞ることを特徴とする。

【００１０】本発明の第５の態様は、第１〜４態様の燃
料電池発電システムにおいて、前記制御手段は、前記水
素供給装置を通常は定格運転させ、水素貯蔵合金の水素
貯蔵が飽和またはそれに近い状態に達した時に、水素供
給装置の出力を低減して、水素供給量を低減させること
を特徴とする。本発明の第６の態様は、第１〜５態様の
燃料電池発電システムにおいて、前記水素供給装置の定
格運転時の水素供給量が燃料電池を定格運転した時に必
要な水素消費量より少ないことを特徴とする。本発明の
第７の態様は、第１〜６態様の燃料電池発電システムに
おいて、前記制御手段が前記水素貯蔵合金の温度を制御
することにより、前記水素貯蔵合金の水素吸収時の平衡
水素圧が、前記水素供給装置の水素供給圧を下回るとと
もに、水素貯蔵合金の水素放出時の平衡水素圧が、前記
減圧弁により維持される燃料電池への水素供給圧を上回
ることを特徴とする。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施形態に係わ
る燃料電池発電システムについて図１を参照しながら説
明する。この発電システムは、戸建て住宅に適用したも
のであり、基本構成として改質器１（水素供給装置）と
固体高分子型燃料電池２を備えている。改質器１は、都
市ガス等の炭化水素化合物と水とを反応させて、水素と
二酸化炭素を発生させるものである。燃料電池２は、水
素と酸素との電気化学的な反応により電力を取り出すも
のであり、本実施形態の固体高分子型の場合、水蒸気も
必要とする。

【００１２】上記改質器１は、ガス管３から都市ガスの
供給を受ける。改質器１と燃料電池２は、水素供給管４
（水素供給路）により接続されており、改質器１で発生
した水素は二酸化炭素と分離され、水素供給管４を通っ
て燃料電池２に供給されるようになっている。上記水素
供給管４には、燃料電池２の近傍において水蒸気供給管
５が接続されており（この接続部を符号Ａで示す）、こ
の水蒸気供給管５を介して水蒸気発生器６からの水蒸気
が供給されるようになっている。

【００１３】上記水素供給管４には、上記接続部Ａの上
流側で接続管７を介して水素貯蔵タンク８が接続されて
いる。水素供給管４と接続管７との接続部を符号Ｂで示
す。水素貯蔵タンク８には、ＭｍＮｉ５系の水素貯蔵合
金８ａ（金属水素化物）が収納されている。さらに、燃
料電池２と改質器１との間には、上記水素供給管４と並
列をなす戻し管９（戻し路）が接続されている。

【００１４】上記水素供給管４には、上記接続部Ａ，Ｂ
間において、上流側から順に減圧弁１１，流量調節弁１
２，逆止弁１３が設けられている。減圧弁１１は、その
下流側の燃料電池２をほぼ所定圧に維持するものであ
る。流量調節弁１２は、燃料電池２へ供給される水素流
量を調節するためのものである。上記戻し管９には、保
圧弁１５が設けられている。この保圧弁１５は、その上
流側の燃料電池２を上述した所定圧に維持するものであ
る。

【００１５】さらに、本実施形態の発電システムはコン
トローラ２０（制御手段）を備えている。このコントロ
ーラ２０は、後述するように、改質器１の出力，燃料電
池２の出力，水蒸気発生器６，水素貯蔵合金８ａの温
度，流量調節弁１２の開度等を制御するようになってい
る。

【００１６】上記燃料電池２で発生した電力は、屋内配
線３０を介して照明器具や空調機器等の家電製品を含む
電気負荷１００に供給される。また、燃料電池２で発生
した熱（排熱）は、給湯等の熱負荷２００として利用さ
れる。

【００１７】上記排熱利用について、簡単に説明してお
く。熱媒体が、燃料電池２内の細管（図示しない）を通
り、ここで排熱を受け取った後、往路管４１を介して蓄
熱タンク４０の熱交換器４０ａに至り、この熱交換器４
０ａで蓄熱タンク４０内の水と熱交換し、復路管４２か
ら燃料電池２内の細管に戻るようになっている。

【００１８】蓄熱タンク４０内の湯は、給湯管４５を介
して蛇口から供給される。なお、湯温が設定温度を下回
る場合には、給湯管４５の中途部に設けたガス給湯器４
６で追焚きする。このガス給湯器４６は、前述したガス
管３から分岐したガス管４７からガスの供給を受ける。

【００１９】次に、上記構成の発電システムの作用を詳
述する。コントローラ２０は、周知の方法で燃料電池２
を制御し、電気負荷１００の変動に合わせた発電を行わ
せる。電気負荷１００が定格出力より大きい場合には、
定格運転を行い、足りない分は図示しない商用電源から
補充する。

【００２０】上記のように燃料電池２の発電量が変動す
ると、燃料電池２での水素消費量も変動する。コントロ
ーラ２０は、この水素消費量に対応した水素供給量を得
るために、流量調節弁１２を制御する。本実施形態で
は、燃料電池２への水素供給量が水素消費量より所定量
多くなるように流量調節弁１２の開度を制御する。燃料
電池２で消費しきれない余剰水素は、戻し管９を経て改
質器１に戻る。戻し管９には流量センサ２５が設けられ
ており、コントローラ２０は、この流量センサ２５の検
出流量が上記所定量、例えば０．２リットル／分になる
ように、流量調節弁１２の開度を制御する。

【００２１】上述したように、燃料電池２への水素供給
量は、流量調節弁１２で調節されるので、燃料電池２で
必要とされる量に即座に追従することができる。また、
減圧弁１１により燃料電池２の動作圧力がほぼ一定に維
持されているので、燃料電池２を安定して運転すること
ができる。

【００２２】次に、水素貯蔵合金８ａの作用について説
明する。水素貯蔵合金８ａは、水素吸収能力を得るため
に、その水素吸収時の平衡水素圧を、改質器１の出口の
水素供給圧（水素供給路４および水素貯蔵タンク８での
最高水素圧）より低く維持する必要がある。また、水素
貯蔵合金８ａは、水素放出能力を得るとともに減圧弁１
１を介して燃料電池２への水素供給能力を得るために、
その水素放出時の平衡水素圧を、減圧弁１１の下流側の
所定圧（燃料電池２での動作圧力）より高く維持する必
要がある。上記平衡水素圧が温度によって図２に示すよ
うに変動する。コントローラ２０は、上記平衡水素圧の
条件を満たすように、水素貯蔵合金８ａの温度を制御す
る。

【００２３】上記水素貯蔵合金８ａの具体的な温度制御
を説明する前に、水素貯蔵合金８ａの平衡水素圧と温度
との関係について詳述する。水素吸収時の平衡水素圧
は、水素放出時の平衡水素圧よりも高く、これら平衡水
素圧は、温度が高くなるほど高くなる。本実施形態で
は、水素吸収時，水素放出時の平衡水素圧が、ともに改
質器１の水素供給圧と燃料電池２の動作圧との間になる
ように、水素貯蔵合金８ａの温度を制御する。例えば、
水素貯蔵合金８ａが１５℃〜４０℃の範囲に収まるよう
に制御する。１５℃の場合には、吸収時の平衡水素圧が
０．３ＭＰａで放出時の平衡水素圧が０．２５ＭＰａで
ある。４０℃の場合には、吸収時の平衡水素圧が０．６
ＭＰａで放出時の平衡水素圧が０．５ＭＰａである。改
質器１からの水素供給圧が１Ｐａで、燃料電池２の動作
圧力が０．２ＭＰａであれば、上記温度範囲１５℃〜４
０℃で水素貯蔵合金８ａの水素吸収，供給能力が確保さ
れる。

【００２４】水素貯蔵合金８ａが水素を放出する際には
吸熱するので、水素貯蔵タンク８を介して外気と熱交換
することにより、水素貯蔵合金８ａを暖め、冬季等に
は、燃料電池２からの排熱を受け取った熱媒体を水素貯
蔵タンク８に送って水素貯蔵合金８ａを暖め、上記温度
範囲に維持する。

【００２５】また、水素貯蔵合金８ａが水素を吸収する
際に発熱するので、水素貯蔵タンク８を介して外気と熱
交換することにより、水素貯蔵合金８ａを冷やし、夏季
等には、水道水等の冷媒体を水素貯蔵タンク８に送って
水素貯蔵合金８ａを冷やし、上記温度範囲に維持する。

【００２６】上記熱媒体，冷媒体の供給制御は、水素貯
蔵合金８ａまたはその近傍に設けられた温度センサ２６
からの検出温度に基づいて、コントローラ２０により行
う。なお、上記温度範囲１５〜４０℃において特定温度
例えば２５℃になるように水素貯蔵合金８ａを温度制御
してもよい。

【００２７】次に、コントローラ２０による改質器１の
出力制御について説明する。改質器１は、図３に示すよ
うに定格の５０％未満では効率が著しく低下するので、
定格の５０％以上の運転で制御する。通常は定格運転を
行い、後述する特殊な状況で定格の５０〜１００％の範
囲で出力を制御する。

【００２８】改質器１での定格運転時の水素発生量（水
素供給量）は、燃料電池２を定格運転した時に必要な水
素消費量より少ない。本実施形態では、燃料電池２を定
格運転した時には、定格出力１ｋＷ，発電効率３５％，
熱回収率３５％，水素消費量１ｍ³／ｈとなる。これに
対して、改質器１を定格運転した時には、水素発生量が
０．７ｍ³／ｈである。

【００２９】水素貯蔵合金８は前述したように、水素貯
蔵タンク８の内圧と平衡圧との関係で吸収と放出を繰り
返すが、定格運転状態の改質器１からの水素供給量が、
燃料電池２での水素消費量を上回った状態が続くと、水
素貯蔵合金８ａでの水素貯蔵量が増大し、これとは逆に
定格運転状態の改質器１からの水素供給量より、燃料電
池２での水素消費量が上回った状態が続くと、水素貯蔵
合金８ａでの水素貯蔵量が減少する。

【００３０】水素貯蔵合金８ａは、水素貯蔵能力に限界
があり、例えば最大水素貯蔵量は４ｍ³である。上述し
たように、改質器１での定格運転時の水素発生量（水素
供給量）が、燃料電池２を定格運転した時に必要な水素
消費量より少ないので、水素貯蔵合金８ａの水素貯蔵能
力が限界に達する可能性は低く、改質器１は定格運転時
間を長期にわたって維持でき、熱効率を向上させること
ができる。

【００３１】改質器１の定格運転を継続し、燃料電池２
が定格出力を下回り、その水素消費量が改質器１からの
水素供給量を下回る状態が継続して、水素貯蔵能力が限
界またはそれに近い状態に達した時には、水素貯蔵タン
ク８内の圧力が改質器１の水素供給圧と同等またはそれ
に近い圧力になってしまう。コントローラ２０は、水素
貯蔵タンク８に収容された圧力センサ２７の検出圧力を
監視し、この検出圧力が、上記改質器１からの水素供給
圧より低い閾値を超えないように、改質器１の出力を定
格出力の５０％以上１００％未満の範囲で制御し、水素
貯蔵合金８ａの水素貯蔵能力に余力を残し、システムの
内圧上昇に伴う故障を防止する。

【００３２】本発明は、上記実施形態に制約されず、種
々の態様が可能である。例えば、コントローラは、水素
供給装置からの水素供給量が燃料電池で必要とされる水
素消費量より多い場合に、流量調節弁を、燃料電池への
水素供給量が水素消費量を下回らない範囲で絞ることに
より、上記実施形態と同様に、前記水素貯蔵タンクでの
水素圧を高めて、水素貯蔵合金への水素の吸収を促進さ
せることができる。

【００３３】水素貯蔵タンクは水素供給路の中途部に接
続管を介さずに直接接続してもよい。また、戻し管９の
一端は、燃料電池２と逆止弁１３との間に接続してもよ
い。戻し管９の他端は改質器１と減圧弁１１との間の水
素供給路４に設けてもよい。また、改質器から燃料電池
へは水素と一緒に生じる二酸化炭素も送ってもよい。
戻し管はなくてもよい。減圧弁と流量調節弁は配置順序
が逆でもよい。円量電池，改質器の出力制御や燃料調節
弁の開度制御や水素貯蔵カタンクの温度制御のための制
御手段は、複数に分かれていてもよい。

【００３４】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の第１態様
によれば、燃料電池への水素供給量は、流量調節弁で調
節されるので、きめ細かな調節が可能である。また、減
圧弁により燃料電池の動作圧力がほぼ一定に維持されて
いるので、燃料電池を安定して運転することができる。
本発明の第２態様によれば、流量調節弁は、制御手段の
制御により、発電量に対応した水素量を燃料電池に供給
できるので、燃料電池は負荷変動に追随した発電量を確
保することができる。本発明の第３態様によれば、所定
量の余剰水素を付加するので、より一層確実に燃料電池
の発電量を負荷変動に追随させることができる。本発明
の第４態様によれば、流量調節弁を絞って水素貯蔵タン
クでの水素圧を高めることにより、水素貯蔵合金への水
素の吸収を促進させることができる。本発明の第５態様
によれば、水素供給装置を、通常では定格運転すること
により、効率を高めることができる。また、必要に応じ
て出力を低減させることにより、システムの故障を防止
できる。本発明の第６態様によれば、水素供給装置の定
格運転の時間を長くすることができ、効率を高めること
ができる。本発明の第７態様によれば、水素合金の温度
を制御することにより、水素吸収，放出機能を確実に維
持することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態に係わる燃料電池発電シス
テムの概略図である。

【図２】同システムで用いられる水素貯蔵合金の水素吸
収時，水素放出時の平衡水素圧と、温度との関係を示す
図である。

【図３】同システムで用いられる改質器の出力と効率と
の関係を示す図である。

【符号の説明】

１改質器（水素供給装置）２燃料電池４水素供給管（水素供給路）８水素貯蔵タンク８ａ水素貯蔵合金９戻し管（戻し路）１１減圧弁１２流量調節弁

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】炭化水素化合物から水素を発生させる水
素供給装置と、この水素供給装置から水素供給路を経て
送られてきた水素と酸素との電気化学的な反応により電
力を取り出す燃料電池と、前記水素供給路に接続される
とともに水素貯蔵合金を収納した水素貯蔵タンクとを備
えた燃料電池発電システムにおいて、前記水素貯蔵タンクと燃料電池との間の水素供給路に、
燃料電池への水素供給圧を所定圧に維持する減圧弁と、
燃料電池への水素供給量を調節する流量調節弁とを設け
たことを特徴とする燃料電池発電システム。
【請求項２】さらに制御手段を設け、この制御手段
が、前記燃料電池への水素供給量が燃料電池での発電量
に対応するように、流量調節弁の開度を調節することを
特徴とする請求項１に記載の燃料電池発電システム。
【請求項３】さらに戻し路を備え、この戻し路の一端
が、前記燃料電池と前記減圧弁，流量調節弁の間の水素
供給路または燃料電池に接続され、戻し路の他端が、減
圧弁，流量調節弁より上流側の水素供給路または水素供
給装置に接続され、前記制御手段は、燃料電池への水素
供給量が燃料電池での発電に必要とされる水素消費量よ
りも所定量多くなるように、前記流量調節弁の開度を制
御し、その余剰水素を戻し路を介して水素供給路または
水素供給装置に戻すことを特徴とする請求項２に記載の
燃料電池発電システム。
【請求項４】さらに、戻し路と制御手段を備え、この
戻し路の一端が、前記燃料電池と前記減圧弁，流量調節
弁の間の水素供給路または燃料電池に接続され、戻し路
の他端が、減圧弁，流量調節弁より上流側の水素供給路
または水素供給装置に接続され、前記制御手段は、水素
供給装置からの水素供給量が燃料電池で必要とされる水
素消費量より多い場合に、前記流量調節弁を、上記燃料
電池への水素供給量が水素消費量を下回らない範囲で絞
ることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池発電シス
テム。
【請求項５】前記制御手段は、前記水素供給装置を通
常は定格運転させ、水素貯蔵合金の水素貯蔵が飽和また
はそれに近い状態に達した時に、水素供給装置の出力を
低減して、水素供給量を低減させることを特徴とする請
求項１〜４のいずれかに記載の燃料電池発電システム。
【請求項６】前記水素供給装置の定格運転時の水素供
給量が燃料電池を定格運転した時に必要な水素消費量よ
り少ないことを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記
載の燃料電池発電システム。
【請求項７】前記制御手段が前記水素貯蔵合金の温度
を制御することにより、前記水素貯蔵合金の水素吸収時
の平衡水素圧が、前記水素供給装置の水素供給圧を下回
るとともに、水素貯蔵合金の水素放出時の平衡水素圧
が、前記減圧弁により維持される燃料電池への水素供給
圧を上回ることを特徴とする請求項１〜６に記載の燃料
電池発電システム。