JP2003257443A

JP2003257443A - 自然エネルギー発電装置と燃料電池を有する自己完結型発電システム

Info

Publication number: JP2003257443A
Application number: JP2002053196A
Authority: JP
Inventors: Noboru Makita; 昇牧田; Mitsuhiro Takachi; 三裕高地; Masakatsu Oya; 正克大矢; Yuhei Takeuchi; 祐平竹内
Original assignee: Ebara Corp
Current assignee: Ebara Corp
Priority date: 2002-02-28
Filing date: 2002-02-28
Publication date: 2003-09-12

Abstract

(57)【要約】【課題】高効率で環境調和性に優れた自然エネルギー
発電装置と燃料電池を有する自己完結型発電システムを
提供する。【解決手段】自然エネルギー発電装置３０と、自然エ
ネルギー発電装置３０から直流電圧を供給して電気分解
により水素ガス３８を生成する水素発生装置４０と、酸
化剤ガス４２と、水素発生装置４０から供給される水素
ガス３８との電気化学的反応により発電し、直流電圧を
電力負荷系統３６へ供給する燃料電池２１と、を備え
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は自然エネルギー発電
装置と燃料電池を有する自己完結型発電システムに係
り、特に、自然エネルギー発電装置から電力を供給し水
素発生装置が生成する水素を燃料として燃料電池へ供給
し発電する発電システムに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来の水素発生装置から水素ガスの供給
を受ける燃料電池発電システムは、図４に示すように、
水素発生装置１、水素貯蔵装置２、水素発生用電源５、
電解用水供給路４から構成されている。

【０００３】燃料電池発電システムは、水素発生装置１
の水電解工程により水素７を発生する為の水を外部から
補給し、発生した水素７を水素貯蔵装置２へ貯蔵してい
た。この水素貯蔵装置２に貯蔵された水素７は固体高分
子型燃料電池３へ送られる。

【０００４】燃料電池発電系は、固体高分子型燃料電池
３と空気ブロアで構成され、燃料室側には水素ガス７
が、酸化剤（空気）室側には空気ブロアを介して酸化剤
ガス８としての空気又は酸素が供給され直流電力を出力
していた。

【０００５】固体高分子型燃料電池３で発電した電力を
水素発生装置１の電力の一部として用い、水素発生装置
１の陰極から発生する水素７を電解用電源の燃料として
利用していた。また、電解用電源は商用系統から供給さ
れる交流電力を整流して直流電圧を水素発生装置１へ供
給していた。さらに、水素原料となる電解される水は市
水６等を導入して供給していた。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
水素発生装置と燃料電池を組み合わせた発電システムで
は、水素発生装置に供給する電解用電源を前述の如く、
固体高分子型燃料電池又は商用電力から供給するので、
商用系統外の地域や不測の障害により商用系統が使用不
能の状況では発電システムを稼動することができないと
いう課題も存在していた。

【０００７】また、電解用の水の供給も必要となり、個
別分散型の発電装置としてユーティリティ、例えば電力
や水の確保が必要であった。

【０００８】本発明は、斯かる実情に鑑み、自然エネル
ギー発電装置と燃料電池を有する自己完結型発電システ
ムを提供することを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、請求項１にかかる発明による発電システムは、例え
ば、図１に示すように、発電システムは、自然エネルギ
ーを直流電力に転換し、直流バス３４を介して直流電圧
を電力負荷系統３６へ供給する自然エネルギー発電装置
３０と、直流バス３４に接続され、自然エネルギー発電
装置３０から直流電圧を供給して電気分解により水素ガ
ス３８を生成する水素発生装置４０と、酸化剤ガス４２
と、水素発生装置４０から供給される水素ガス３８との
電気化学的反応により発電し、直流電圧を電力負荷系統
３６へ供給する燃料電池２１と、を備える。

【００１０】ここで、自然エネルギー発電装置３０は太
陽光発電装置３１や風力発電装置３２や潮力発電のよう
な天然のエネルギーを転換して電力を供給するものであ
る。また、水素発生装置４０は電解槽内に陽極電極と陰
極電極を設置し、電解液としての水を電気分解し水素ガ
スを生成するものである。さらに、燃料電池２１は固体
高分子型やリン酸型の燃料電池を使用することができ
る。

【００１１】このように構成すると、太陽光発電装置３
１と風力発電装置３２の両方又は一方から電力負荷系統
３６へ電力を供給しながら、一部の電力を水素発生装置
４０へ供給することができ、水素発生装置４０から生成
する水素ガス３８を燃料として燃料電池２１へ供給し、
燃料電池２１から電力負荷系統３６へ電力を供給するこ
とができ、発電効率を高めることができる。

【００１２】上記目的を達成するために、請求項２にか
かる発明による請求項１に記載の発電システムは、例え
ば、図１に示すように、燃料電池２１から発生する水５
０を水素原料として水素発生装置４０へ供給する給水手
段５３を備える。

【００１３】ここで、給水手段５３は燃料電池２１の生
成水出口に接続されたパイプ５１と給水ポンプ５２を介
して水５０を水素発生装置４０へ供給するものである。

【００１４】このように構成すると、水素発生装置４０
へ水素原料として水を燃料電池２１から供給することで
き、燃料電池２１の副生成物を再利用することができ
る。

【００１５】上記目的を達成するために、請求項３にか
かる発明による請求項１又は２に記載の発電システム
は、例えば、図１に示すように、自然エネルギー発電装
置３０から直流バス３４を介して直流電圧を供給し充電
する二次電池としてのバッテリ５６を備える。

【００１６】ここで、二次電池は、鉛蓄電池、アルカリ
イオン電池、ニッケルカドミウム電池等の充電池を使用
することができる。

【００１７】このように構成すると、自然エネルギー発
電装置３０の余剰電力によりバッテリ５６を充電するこ
とができ、自然エネルギー発電装置３０を代替する第２
の電力源を確保することができる。

【００１８】上記目的を達成するために、請求項４にか
かる発明による請求項１乃至３に記載の発電システム
は、例えば、図１に示すように、水素発生装置４０と燃
料電池２１との間に配置され、水素発生装置４０から生
成される水素ガス３８を貯留する水素貯留装置５８と、
自然エネルギー発電装置３０の発電量を監視し、所定の
発電量まで低下した段階で水素貯留装置５８から燃料電
池２１へ水素ガス３８の供給を開始させる制御装置６２
と、を備える。

【００１９】ここで、水素貯留装置５８は、水素ガスタ
ンクや水素ガス吸収合金を使用することができる。ま
た、制御装置６２はコンピュータやシーケンサやマイク
ロプロセッサ等のデータ検出及び処理を実行するもので
ある。

【００２０】このように構成すると、自然エネルギー発
電装置３０の電力負荷系統３６用の出力低下を補うため
に、水素貯留装置５８に貯留した水素を燃料として燃料
電池２１へ供給し燃料電池２１から電力を電力負荷系統
３６へ供給することができ、電力供給の安定性を高める
ことができる。

【００２１】上記目的を達成するために、請求項５にか
かる発明による請求項２に記載の発電システムは、例え
ば、図２に示すように、燃料電池２１と給水手段５３と
の間に配置され、燃料電池２１から生成する水５０を一
時的に貯蔵する水貯蔵タンクとしての貯水装置７０を備
える。

【００２２】このように構成すると、燃料電池２１から
生成される水５０を一時的に貯水装置７０へ貯蔵するこ
とができ、水素発生装置４０の水素原料としての水の需
要量と燃料電池２１の水の生成量との間に差が生じて
も、継続的に水素原料としての水を水素発生装置４０へ
供給することができる。

【００２３】上記目的を達成するために、本発明による
発電システムは、例えば、図２に示すように、水貯蔵タ
ンクとしての貯水装置７０へ浄化水を供給する浄水器７
２を備える。

【００２４】ここで、浄水器７２は内部に活性炭層、高
分子中空フィルタ、オゾン活性化装置等を設置し、原水
から不純物を除去するものである。

【００２５】このように構成すると、雨水、河川から取
水する原水７３を浄化して純度の高い水を貯水装置７０
へ供給するができ、不純物を除去した水を貯水装置７０
を介して水素発生装置４０へ供給することができる。ま
た、燃料電池２１から供給される水が不足した場合に、
外部から水を補給することができる。

【００２６】上記目的を達成するために、本発明による
発電システムは、例えば、図２に示すように、燃料電池
２１の起動時又は電力負荷系統３６の負荷増大時に、電
力負荷系統３６へ直流電圧を供給すると共に、燃料電池
２１へ起動用電力を供給する二次電池としてのバッテリ
５６を備える。

【００２７】このように構成すると、自然エネルギー発
電装置３０の発電量に拘わらず、電力負荷系統３６の負
荷増大時にバッテリ５６から補助電力を電力負荷系統３
６へ供給することができ、自然エネルギー発電装置３０
からの電力が不足した場合であっても燃料電池２１が必
要とする起動電力をバッテリ５６から供給することがで
きる。

【００２８】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図示
例と共に説明する。図１から図３は発明を実施する形態
の一例であって、図中、図と同一または類似の符号を付
した部分は同一物または相当物を表わし、重複した説明
は省略する。

【００２９】図１は、本発明による第１の実施の形態で
ある自然エネルギー発電装置と燃料電池を有する発電シ
ステムのブロック図である。発電システムは、自然エネ
ルギー発電装置３０、水素発生装置４０、水素貯留装置
５８、燃料電池２１、二次電池としてのバッテリ５６、
及び、制御装置６２を備える。

【００３０】自然エネルギー発電装置３０は、太陽光発
電装置３１や風力発電装置３２や潮力発電装置のような
自然界に存在するエネルギーを電気エネルギーに変換す
るものである。太陽光発電装置３１は日中に半導体ソー
ラセルから電力を発生し、風力発電装置３２は昼夜を問
わないが風がプロペラを回転させ同軸の直流発電機によ
り電力を発生し、潮力発電装置は２４時間波浪の変化を
機械的な運動エネルギーに変換して直流発電機により電
力を発生する。

【００３１】また、水素発生装置４０は特に限定はな
く、水素を発生する電解槽として例えば、隔膜電解槽、
無隔膜電解槽、単一電解槽、あるいは多段電解槽等の陰
極で発生する水素ガスを回収出来る構造であれば、副生
成物としての酸素５４を生成する何れの装置を選択して
ももよい。

【００３２】例えば、単一隔膜電解槽を用いる場合には
陰極で発生した水素ガスを気体として回収する構造を有
する。また、多段無隔膜電解槽の場合には、各単位電解
槽を仕切る隔壁と各単位電解槽内には少なくとも一対の
陽極と陰極を内装した電解槽構成になっており、外電解
槽上部は各単位電解槽が連通した空隙を有し水素ガスを
分離し回収する。

【００３３】さらに、単位電解槽内には、中央部から対
象な位置に分離された陽極と陰極が配置される。陽極は
陽極触媒層が被覆されたチタン板が用いられる。電極の
形状はすだれ状，ラス下降網目状或いは多孔質な形に加
工して用いられ、陰極反応を加速するために表面積を大
きく、濃度分極が極力小さくなるように電解液流れを考
慮した構造を選択するとよい。

【００３４】水素を燃料とする燃料電池２１にはアルカ
リ型、リン酸型、溶融炭酸塩型、固体酸化物型、及び固
体高分子型の燃料電池があるが、比較的小型であり、オ
ンサイト型でメインテナンスが容易なリン酸型燃料電池
や固体高分子型燃料電池が望ましい。

【００３５】何れの燃料電池２１も酸化剤ガス４２には
酸素或いは空気を用い、燃料としての水素ガス３８との
電気化学的反応により電力を出力する。酸化剤ガス４２
は上述した水素発生装置４０から副生成物として生成さ
れる酸素５４を使用することもできる。

【００３６】燃料電池２１は常圧から３気圧程度で運転
され、運転温度は固体高分子型は室温から８０℃、リン
酸型は室温から１９０℃乃至２２０℃であり、固体高分
子型は室温近傍での運転で操作及び保守が容易であるの
に対してリン酸型は比較的高温であるため燃料電池の排
熱のレベルが１７０℃と高い。

【００３７】発電システムは、自然エネルギー発電装置
３０から発電する直流電力を直流バス３４を介して電力
負荷系統３６及び水素発生装置４０へ供給する。水素発
生装置４０は直流電圧により電解槽内の水を電気分解し
水素ガス３８を生成し、生成した水素ガス３８を燃料電
池２１へ供給する。また水素発生装置４０から生成され
る酸素５４も酸化剤ガス４２として利用できることは上
述の通りである。

【００３８】燃料電池２１は、燃料としての水素ガス３
８と酸化剤ガス４２との電気化学的反応により直流電圧
を発電するが、その副生成物としての水を生成する。本
実施の形態の発電システムでは、燃料電池２１からパイ
プ５１、給水ポンプ５２、給水手段５３を経由して副生
成物としての水を水素発生装置４０へ回収し、水素発生
装置４０内の電解槽へ給水することができる。

【００３９】発電システムは、自然エネルギー発電装置
３０から直流バス３４を介して直流電圧を二次電池とし
てのバッテリ５６へ供給し、バッテリ５６を充電する。
但し、バッテリ５６は電気エネルギーを満充電状態にす
ると直流バス３４からの電流の流入が減少し、実質的に
直流電圧の負荷にはならず、発電システムの発電効率を
低下させない。

【００４０】燃料電池２１は、水素ガス３８を水素発生
装置４０から直接供給することもできるが、水素発生装
置４０から水素貯留装置５８を介して燃料電池２１へ水
素ガス３８を供給することもできる。この場合、水素貯
留装置５８は水素ガス３８の蓄積と放出のバランスを保
つバッファとして機能する。

【００４１】ここで、水素貯留装置５８は、水素ガスタ
ンクや水素ガス吸収合金を使用することができ、水素ガ
ス吸収合金としては、例えば、ＴｉＦｅ系、ＭｍＮｉ5
系、若しくは、ＺｒＮｉ合金をベースとしてＺｒおよび
Ｎｉの一部を他元素で置換した３元系以上の組成からな
り、その結晶構造はＣｒＢ構造からなる水素ガス吸収合
金を用いることができる。

【００４２】例えば、制御装置６２は自然エネルギー発
電装置３０の出力に接続する電力検出器６０を介して自
然エネルギー発電装置３０の発電量を監視し、所定の電
力量として例えば、４０ｋW以下の発電量を検出した段
階で水素貯留装置５８から燃料電池２１へ水素ガス３８
を供給開始するように水素貯留装置５８と燃料電池２１
との間に設けたバルブ６４を開放する。電力検出器６０
は、ＤＣバス３４上の直流電圧から影響を受けないよう
に逆流防止ダイオードにより自然エネルギー発電装置３
０とＤＣバスとを分離して、自然エネルギー発電装置３
０側の発電電力を検出することができる。

【００４３】また、制御装置６２は内部のタイマー機能
から時刻情報を入手し、電力負荷系統３６の電力需要を
推定して所定の電力量を変更することもできる。すなわ
ち、電力ピーク時には４０ｋWを所定の電力量に設定す
るが、夜間等の電力需要が減少する時間帯においては所
定の電力量を２０乃至１０ｋWへ設定変更することがで
き、水素貯留装置５８から水素ガス３８の放出を停止し
て、引き続き水素発生装置４０から生成する水素ガス３
８を水素貯留装置５８へ貯留する。

【００４４】図２は、本発明による第２の実施の形態で
ある自然エネルギー発電装置と燃料電池を有する発電シ
ステムのブロック図である。発電システムは、自然エネ
ルギー発電装置３０、水素発生装置４０、水素貯留装置
５８、燃料電池２１、二次電池としてのバッテリ５６、
貯水装置７０、浄水器７２、コンタクト７８、及び、制
御装置６２を備える。

【００４５】自然エネルギー発電装置３０、水素発生装
置４０、水素貯留装置５８、燃料電池２１、バッテリ５
６、制御装置６２は、上記第１の実施の形態と同様の部
材を使用することができ、重複する説明を省略する。

【００４６】発電システムは、燃料電池２１と給水手段
５３との間に配置され、燃料電池２１から生成する水５
０を一時的に貯蔵する水貯蔵タンクとしての貯水装置７
０を備える。

【００４７】貯水装置７０は、燃料電池２１から生成さ
れる水５０を一時的に貯蔵し、水素発生装置４０内部の
電解槽の電解液としての水の残量が減少する毎に、貯水
した水を給水ポンプ５２を介して水素発生装置４０へ供
給するバッファとして機能する。従って、水素発生装置
４０の水素原料としての水の需要量と燃料電池２１の水
の生成量との間に差が生じても、継続的に水素原料とし
ての水を水素発生装置４０へ供給することができる。

【００４８】発電システムは、電力負荷系統３６の電力
需要が少ない時間帯に燃料電池２１からの電力供給を停
止して水素ガスを水素貯留装置５８へ貯留するように運
転される。この場合、燃料電池２１から水は生成されな
いので、外部から水素原料としての水を補給する必要が
ある。

【００４９】本実施の形態では、外部から原水７３を浄
水器７２を経由して浄化水を生成し、この浄化水をパイ
プ７４を介して貯水装置７０へ供給する水補給系統を有
する。例えば、雨水や河川水や海水等の水を主成分とし
た原水を浄化して貯水装置７０へ供給するので、貯水装
置７０から水素発生装置４０へ供給する水は水素発生装
置４０内の電解槽の電極を腐食させず、不純物ガスの生
成を抑制し、発電システムのメンテナンスを容易にする
ことができる。

【００５０】また、バッテリ５６は電力負荷系統３６の
負荷増大時に補助電力として直流電圧を電力負荷系統３
６へ供給することができ、また、燃料電池２１の休止状
態から起動時に必要な起動電力をコンタクト７８を介し
て電力を供給することができる。

【００５１】例えば、制御装置６２は燃料電池２１の運
転状態を監視して、燃料電池２１を起動するときはドラ
イバ８０からコンタクト７８内部のスイッチング素子を
ゲート制御しバッテリ５６から燃料電池２１へ直流電圧
を供給する。供給された直流電圧により燃料電池２１内
部のブロアやポンプを動作させて燃料電池２１を起動さ
せることができる。

【００５２】上記実施の形態では、電力負荷系統３６へ
直流電圧を供給していたが、図３に示すように、電力負
荷系統３６は、直流バス３４、直流バス４６、及び、直
流バス４８から直流電圧の供給を受けて、出力バス９３
に接続するＤＣ負荷８０へライン９４を介して直流電圧
を供給する。また、出力バス９３に接続するＤＣ／ＤＣ
コンバータ８２、ライン９５、ＤＣ／ＡＣインバータ８
４、ＡＣバス９６を経由して直流電圧を所定の固定周波
数の交流電圧に変換し、ＡＣ負荷８６、ＡＣ負荷８８へ
ライン９７や９８を各々経由して交流電圧を供給する。

【００５３】ＡＣバス９６は同期スイッチング装置９２
を介して系統電力９０へ接続することができる。系統電
力９０は２００ボルトの動力線や１００ボルトの電灯線
であって、任意の系統電力９０を選択することができ
る。同期スイッチング装置９２はＡＣバス９６上の交流
電圧と系統電力９０の交流電圧の電圧及び周波数並びに
位相を同期させて、ＡＣバスと系統電力９０とを接続す
ることで、発電システムから供給する電力を電力会社に
売電することができる。一方、系統電力９０とＡＣバス
９６の電力を併用してＡＣバス１００へ交流電力を供給
することもできる。

【００５４】こうして、本実施の形態によれば、自然エ
ネルギー発電装置３０と燃料電池２１の出力電力を電力
負荷系統３６へ供給すると共に、自然エネルギー発電装
置３０の余剰電力を用いて水素発生装置４０から水素ガ
ス３８を生成し、燃料電池２１の燃料として使用するの
で、発電システム全体としての発電効率を向上させるこ
とができる。

【００５５】また、燃料電池２１から生成する水を水素
発生装置４０の水素原料として回収するので自己完結型
の発電システムを構築することができる。さらに、水素
貯留装置５８と貯水装置７０を併用することで、水素ガ
ス３８と水素原料としての水５０の需給バランスにずれ
が生じた場合であっても水素貯留装置５８と貯水装置７
０をバッファとして機能させることができるので、発電
システムの運転を常時維持することができる。特に、自
然エネルギー発電装置３０、水素発生装置４０、バッテ
リ５６、燃料電池２１を電源とする場合、高効率発電で
あり、二酸化炭素を環境へ放出しない環境調和性に優れ
た方式であるといえる。

【００５６】したがって、本実施の形態の発電システム
は、離島や砂漠、山岳地帯等の電力系統が設置されてい
ない地域若しくは水が不足している地域の分散型発電シ
ステムに適用させることができ、道路や公園等の夜間照
明も災害時に電気及び水が寸断された地域においても有
効に活用することができる。

【００５７】尚、本発明の自然エネルギー発電装置と燃
料電池を有する発電システムは、上述の図示例にのみ限
定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲
内において種々変更を加え得ることは勿論である。

【００５８】

【発明の効果】以上、説明したように本発明の請求項１
乃至５記載の自然エネルギー発電装置と燃料電池を有す
る発電システムによれば、高効率な発電システムを提供
できる。また、環境調和性にすぐれた自己完結型の発電
システムを提供できる、という優れた効果を奏し得る。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１の実施の形態である自然エネルギー発電装
置と燃料電池を有する発電システムのブロック図であ
る。

【図２】第２の実施の形態である自然エネルギー発電装
置と燃料電池を有する発電システムのブロック図であ
る。

【図３】本実施の形態の電力負荷系統のブロック図であ
る。

【図４】従来の燃料電池を有する発電システムのブロッ
ク図である。

【符号の説明】

３０自然エネルギー発電装置３１太陽光発電装置３２風力発電装置３４直流バス３６電力負荷系統３８水素ガス４０水素発生装置４２酸化剤ガス５２給水ポンプ５３給水手段５４酸素５６バッテリ５８水素貯留装置６０電力検出器６２制御装置６４バルブ７０貯水装置７２浄水器７８コンタクト８０ドライバ８２ＤＣ／ＤＣコンバータ８４ＤＣ／ＡＣインバータ９０系統電力９２同期スイッチング装置９３出力バス１００ＡＣバス

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者大矢正克東京都大田区羽田旭町11番１号株式会社荏原製作所内 (72)発明者竹内祐平東京都大田区羽田旭町11番１号株式会社荏原製作所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】自然エネルギーを直流電力に転換し、直
流バスを介して直流電圧を電力負荷系統へ供給する自然
エネルギー発電装置と；前記直流バスに接続され、自然
エネルギー発電装置から直流電圧を供給して電気分解に
より水素ガスを生成する水素発生装置と；酸化剤ガス
と、前記水素発生装置から供給される水素ガスとの電気
化学的反応により発電し、直流電圧を前記電力負荷系統
へ供給する燃料電池と；を備える自然エネルギー発電装
置と燃料電池を有する自己完結型発電システム。
【請求項２】前記燃料電池から発生する水を水素原料
として前記水素発生装置へ供給する給水手段を備える請
求項１に記載の自然エネルギー発電装置と燃料電池を有
する自己完結型発電システム。
【請求項３】前記自然エネルギー発電装置から前記直
流バスを介して直流電圧を供給し充電する二次電池を備
える請求項１又は２に記載の自然エネルギー発電装置と
燃料電池を有する自己完結型発電システム。
【請求項４】前記水素発生装置と前記燃料電池との間
に配置され、前記水素発生装置から生成される水素ガス
を貯留する水素貯留装置と；前記自然エネルギー発電装
置の発電量を監視し、所定の発電量まで低下した段階で
前記水素貯留装置から前記燃料電池へ水素ガスの供給を
開始させる制御装置と；を備える請求項１乃至３に記載
の自然エネルギー発電装置と燃料電池を有する自己完結
型発電システム。
【請求項５】前記燃料電池と前記給水手段との間に配
置され、前記燃料電池から生成する水を一時的に貯蔵す
る水貯蔵タンクを備える請求項２に記載の自然エネルギ
ー発電装置と燃料電池を有する自己完結型発電システ
ム。