JP2006004699A - 非常用燃料電池発電システム - Google Patents

Abstract

【課題】冬季寒冷環境下等燃料電池スタックや加湿器の水分が凍結するような環境下でも安定した運転ができる非常用発電システムを提供すること。
【解決手段】筐体内１０に燃料電池１８を収容した燃料電池室１２と、第１水素ボンベ２１、第２水素ボンベ２２を収容した水素ガス容器室１３とを備え、停電時に手動又は自動で前記燃料電池１８の発電運転を開始し、重要負荷に電力を供給する非常用燃料電池発電システムにおいて、燃料電池室１２に電力を用いるスペースヒータ２０を設け、待機中は該燃料電池室１２内をスペースヒータ２０より予め設定した温度以上に保ち、停電時の非常運転中はスペースヒータ２０による加温を中止し、燃料電池１８の運転に伴う排熱を利用して該燃料電池室１２内温度を管理する温度管理手段を設けた
【選択図】図１

Description

本発明は、交通信号機管理システム等に代表される重要電力負荷に対する商用電力系統による電力供給が停電等により停止された際に、燃料電池を起動して該重要電力負荷に対する電力供給を開始、継続する非常用燃料電池発電システムに関するものである。

交通信号機管理システム等に代表される重要電力負荷に対しては、その重要性から商用電力系統からの電力供給が停電等により停止された際に、これに代って非常電力を供給する手段を備えていることがある。これまでは非常電力を供給する手段としてディーゼルエンジン等の内燃機関を用いた発電設備が使用されていたが、ディーゼルエンジン等の内燃機関を用いた発電設備には、運転時に公害物質を排出することや、運転時の騒音値が大きい等の問題がある。

燃料電池は発電時に排出されるのは水と熱だけのクリーンな発電方式であり、且つ運転時の騒音も小さいなどの特徴を有しており、近年の燃料電池開発の進行とともに、非常用発電システムとしての運用が検討されてきている。特に水素を燃料とする固体高分子形燃料電池は起動時間が短く、迅速に起動できることから、最も非常用発電設備として適しているとして注目されている。

上記燃料電池を用いた非常用燃料電池発電システムにおいて、燃料電池を配置する筐体内の温度は該システムを設置する環境の周囲温度に左右されていた。周囲温度により筐体内温度が所定の温度以下になった場合、燃料電池を構成する電解質膜や加湿器の凍結により、安定した起動及び運転ができない可能性があり、最悪の場合燃料電池ユニットを構成するハードウエアを損傷する可能性がある。このことから燃料電池ユニットは自己保護機能により周囲温度が所定の温度以下になると自動的に運転を中止する機能を有している。従って、燃料電池を用いる非常用燃料電池発電システムでは待機中、運転中に係らず、筐体内温度は周囲温度に左右されずにいつでも燃料電池が起動できる温度以上に保つ必要がある。しかしながら、非常用燃料電池発電システムが商用電力系統の停電にともない非常運転実行中は、発電した電力を優先的に重要電力負荷に供給しなければならないため、非常運転を開始した時点で電力を利用した加熱源は使用できない条件がある。

また、非常用燃料電池発電システムの筐体内温度をある温度以上に保つために、システム筐体内にスペースヒータ等の電力を利用した加熱源を設けた場合、停電が発生すると非常用燃料電池発電システムは非常運転を開始し、燃料電池は発電運転を開始する。また、筐体を換気するために備えた換気ファンは燃料電池からの排気を筐体外に排出するため、及び燃料電池の反応カソードエアを外気から取り入れるため、燃料電池の運転に合わせて運転を開始する。

上記したように、非常運転開始後は重要負荷へ供給する非常用電力を増やすために、スペースヒータ等の電力を利用した加熱源は必ず停止させ、筐体内の温度を他の熱源を利用してある温度以上に保つ必要がある。この熱源として燃料電池の排熱を利用することも考えられるが、燃料電池の排熱温度は発電運転開始後すぐに上昇するのではなく、ある程度の時間が経過してから上昇してくるため、燃料電池の発電開始とともに換気ファンを運転すると、特に外気温度が氷点下の低い場合、燃料電池の排熱温度が充分に上昇する前に筐体内に氷点下の冷たい空気が入り込んでしまい、燃料電池の加湿器や電解質膜で凍結を引き起こし、安定した起動及び運転ができなくなる可能性があった。

また、非常用燃料電池発電システムの筐体内温度をある温度以上に保つために、筐体内にスペースヒータを設けた場合、停電が発生すると非常用燃料電池発電システムは非常運転を開始し、燃料電池が発電を開始後、筐体に備えた換気ファンは燃料電池からの排気を筐体外に排出するため運転を開始する。夏期の日射・高温環境下では、日射により筐体本体が加熱されるために換気ファンは燃料電池運転に伴う排熱のほかに、日射により加熱される熱量分を排気しなければならないため、換気ファンの最大風量は夏期における条件に合わせて選定しなければならない。

この同じ換気ファンにより、冬期の寒冷下において非常用燃料電池発電システムの非常運転を行なった場合、換気風量が大き過ぎるため、氷点下の外気が必要以上に入り込んでしまうため、燃料電池の周囲温度も氷点下に下がってしまう可能性があり、安定した運転ができない恐れがある。

本発明は上述の点に鑑みてなされたもので、冬季寒冷環境下等燃料電池スタックや加湿器の水分が凍結するような環境下でも安定した運転ができる非常用発電システムを提供することを目的とする。

上記課題を解決するため請求項１に記載の発明は、筐体内に燃料電池を収容した燃料電池室と、燃料となる水素を蓄えた水素ガス容器を収容した水素ガス容器室とを備え、停電時に手動又は自動で前記燃料電池の発電運転を開始し、対象とする負荷系統に電力を供給する非常用燃料電池発電システムにおいて、前記燃料電池室に電力を用いる加熱源を設け、待機中は該燃料電池室内を該加熱源により予め設定した温度以上に保ち、停電時の非常運転中は前記加熱源による加温を中止し、前記燃料電池の運転に伴う排熱を利用して該燃料電池室内温度を管理する温度管理手段を設けたことを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の非常用燃料電池発電システムにおいて、通常は前記燃料電池の運転と連動して前記燃料電池室内の換気を行なう換気ファンを設け、前記温度管理手段による前記燃料電池の運転に伴う排熱を利用した温度管理を実施する時、該温度管理手段は外気温度が予め設定された温度以下の場合、前記換気ファンの運転を前記燃料電池の運転開始より所定時間を遅らせることを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の非常用燃料電池発電システムにおいて、前記温度管理手段による前記燃料電池の運転に伴う排熱を利用した温度管理を実施し、前記燃料電池と連動する換気ファンが運転している時に、前記温度管理手段は前記燃料電池の排熱量と吸気する外気空気温度に従って換気ファン風量を制御して前記燃料電池室内温度を管理することを特徴とする。

請求項４に記載の発明は、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の非常用燃料電池発電システムにおいて、前記燃料電池が固体高分子形燃料電池であることを特徴とする。

請求項１に記載の発明によれば、燃料電池室に電力を用いる加熱源を設け、待機中は該燃料電池室内を該加熱源により予め設定した温度以上に保ち、停電時の非常運転中は加熱源による加温を中止し、燃料電池の運転に伴う排熱を利用して該燃料電池室内温度を温度管理する温度管理手段を設けたので、待機中及び運転中の燃料電池室内を燃料電池の起動及び運転に最適な温度に保つことができ、且つ非常運転実行中は、発電した電力を優先的に重要電力負荷に供給でき、非常用燃料電池発電システムの正味出力を大きくでき、且つ燃料電池の安定した運転が可能となる。

請求項２に記載の発明によれば、温度管理手段による燃料電池の運転に伴う排熱を利用した温度管理を実施する時、外気温度が予め設定された温度以下になった場合、通常燃料電池の運転に連動して運転を開始する換気ファンを、燃料電池の運転開始より所定時間遅らせるので、寒冷な環境下でも安定した運転した運転ができる。特に外気温度が氷点下の低い場合、燃料電池の排熱温度が充分に上昇する前に筐体内に氷点下の冷たい空気が入り込んでしまい、燃料電池の加湿器や電解質膜で凍結を引き起こし、安定した起動及び運転ができなくなる可能性があるが、ここでは換気ファンの連動タイミングを遅らせ燃料電池の排熱温度が充分に上昇したから換気するので、安定した起動及び運転が可能となる。

請求項３に記載の発明によれば、温度管理手段による燃料電池の運転に伴う排熱を利用した温度管理が実施され、燃料電池と連動する換気ファンが運転している時に、温度管理手段は燃料電池の排熱量と吸気する外気空気温度に従って換気ファン風量を制御して燃料電池室内温度を管理するので、燃料電池室内温度が適切な温度に維持され、安定した運転が可能となる。

請求項４に記載の発明によれば、燃料電池が固体高分子形燃料電池であるので、短い時間で迅速に起動できる非常用燃料電池発電システムが実現できる。

以下、本発明の実施の形態例を図面に基いて説明する。図１は本発明に係る非常用発電システムのシステム構成例を示す図である。非常用発電システムは筐体１０を備え、該筐体１０内には仕切壁１１で燃料電池室１２と水素ガス容器室１３に分けられている。燃料電池室１２には排気口１４が設けられ、該排気口１４には換気ファン１５が設けられている。また、燃料電池室１２には吸気口１６が設けられ、該吸気口１６にはプレフィルタ１７が設けられている。また、燃料電池室１２内には燃料電池１８、制御盤１９、スペースヒータ２０が配置されている。

また、水素ガス容器室１３には第１水素ボンベ２１、第２水素ボンベ２２、窒素ボンベ２３が収容されている。第１水素ボンベ２１の水素ガスは手動弁２８、空気圧作動弁３０を通り、レギュレータ付自動弁又は半自動切換弁３２でその圧力が調整され、更に手動弁３３を通って燃料電池１８に供給されるようになっている。また、第２水素ボンベ２２の水素ガスは手動弁２９、空気圧作動弁３１を通り、レギュレータ付自動弁又は半自動切換弁３２を通して圧力が調整され、更に手動弁３３を通って燃料電池１８に供給されるようになっている。また、窒素ボンベ２３の窒素ガスはレギュレータ３４でその圧力が調整され、手動弁３５及び電磁弁３６、３７の操作により空気圧作動弁３０、３１に供給され、該空気圧作動弁３０、３１を開閉操作されるようになっており、該電磁弁３６、３７の操作は制御盤１９によって行なわれる。

第１水素ボンベ２１内の水素ガス圧は圧力センサ２５で検出され、その検出出力は制御盤１９に入力されている。第２水素ボンベ２２内の水素ガス圧は圧力センサ２６で検出され、その検出出力は制御盤１９に入力されている。また、窒素ボンベ２３内の窒素ガス圧は圧力センサ２７で検出され、その検出出力は制御盤１９に入力されている。また、燃料電池１８に供給される水素ガスのガス圧は圧力センサ３８により検出され、その検出出力は制御盤１９に入力されている。また、３９、４０はそれぞれ燃料電池室１２、水素ガス容器室１３内の漏れた水素ガスを検出する水素センサであり、その検出出力は制御盤１９に入力されている。４１は吸気口１６から燃料電池室１２内に吸気される空気、即ち外気温度を検出する温度センサであり、４２は燃料電池室１２内の温度を検出する温度センサである。温度センサ４１、４２の検出出力は燃料電池１８に入力されるようになっている。なお、４３は制御盤１９に電源を供給する無停電電源装置（ＵＰＳ）である。燃料電池１８の運転により発生する水Ｗはは配管４４を通して筐体外に排水される。

なお、５０は商用電力系統であり、５１は分電盤、５２は交通信号機管理システム等に代表される重要負荷である。商用電力系統５０から商用電力が給電されている間は、分電盤５１から商用電力が無停電電源装置（ＵＰＳ）４３や切換開閉器１９ａを介して重要負荷５２に供給されている。また、制御盤１９は温度センサ４１からの外気温度検出出力により外気温度を監視し、外気温度が低い場合、燃料電池室１２内の温度が燃料電池１８を起動・運転する適する所定の温度範囲に維持できるようにスペースヒータ２０に加熱電流を供給している。

そして商用電力系統５０が停電した場合、制御盤１９の制御は、図２に示すように、スペースヒータ２０への加熱電流の供給を停止（商用電力系統５０から加熱電流を供給していた場合）し、該スペースヒータ２０による加温を停止する。更に電磁弁３６、３７の操作により、空気圧作動弁３０、３１を開くことにより、第１水素ボンベ２１又は第２水素ボンベ２２からレギュレータ付自動弁又は半自動切換弁３２を介して圧力調整された水素ガスを燃料電池１８に供給し、該燃料電池１８が起動し発電を開始する。また、切換開閉器１９ａを燃料電池１８側に切り換え、燃料電池１８で発電された電力を重要負荷に給電する。また、換気ファン１５を起動し、燃料電池室１２内の空気を排気口１４から排出すると共に、吸気口１６から外気を吸込みプレフィルタ１７を通して燃料電池室１２内に導入する。

図３は本発明に係る非常用発電システムの運用フローチャートである。スペースヒータの温調運転において、先ず商用電力系統５０がＯＫ、即ち給電中か停電中かを判断し（ステップＳＴ１）、給電中であったら次にスペースヒータ２０を停止中（加熱電流の供給停止）か否かを判断し（ステップＳＴ２）、停止中であったら続いて温度センサ４２の検出出力により、筐体１０内、即ち燃料電池室１２内の温度が所定の設定値以下かを判断し（ステップＳＴ３）、設定値以下であったらスペースヒータ２０をＯＮ、即ちに加熱電流を供給する（ステップＳＴ４）。次に筐体１０内の温度が所定の設定値＋２℃以上かを判断し（ステップＳＴ５）、ＹＥＳであったらスペースヒータ２０をＯＦＦ、即ち加熱電流の供給を停止（ＯＦＦ）にする（ステップＳＴ６）。

上記ステップＳＴ１おいて、商用電力系統５０が停電であった場合、スペースヒータ２０の運転中、即ち加熱電流供給中か否かを判断し（ステップＳＴ７）、運転中であったらスペースヒータ２０を停止、即ち加熱電流の供給を停止し（ステップＳＴ８）、非常用発電システムの非常運転に入り、燃料電池室１２内の加温は燃料電池１８の排熱でおこなう
る。この非常運転において、燃料電池１８の運転を開始し（ステップＳＴ９）、続いて換気ファン１５を運転し（ステップＳＴ１０）、商用電力系統５０がＯＫ、即ち給電開始まで継続する（ステップＳＴ１１）。商用電力系統５０が給電を開始したら、非常運転を終了し、待機状態となる。

外気温度がある温度よりも低い場合に非常運転を開始する場合は、燃料電池１８の発電運転に合わせて運転する換気ファン１５の運転開始を遅らせ、燃料電池１８の発電運転により充分燃料電池室１２内が温まるまで外気の冷気を該燃料電池室１２に取り込むのを抑制する制御をしている。また、燃料電池１８が温まるまで換気ファンによる外気の取り入れはないが、充分燃料電池室１２内に保有する事前にスペースヒータ２０により温められていた空気を反応用カソードエアとして利用することで予熱運転は実行できるようになっている。

図４は外気温度がある温度よりも低い場合の本発明に係る非常用発電システムの運用フローチャートである。スペースヒータの温調運転において、先ず商用電力系統５０がＯＫか、即ち給電中か停止中かを判断し（ステップＳＴ２１）、給電中であったら次にスペースヒータ２０を停止中か否かを判断し（ステップＳＴ２２）、停止中であったら続いて温度センサ４２の検出出力により、筐体１０、即ち燃料電池室１２内の温度が所定の設定値以下かを判断し（ステップＳＴ２３）、設定値以下であったらスペースヒータ２０をＯＮ、即ち加熱電流を供給する（ステップＳＴ２４）。次に筐体１０内の温度が所定の設定値＋２℃以上かを判断し（ステップＳＴ２５）、ＹＥＳであったらスペースヒータ２０をＯＦＦ、即ち加熱電流の供給を停止にする（ステップＳＴ２６）。

上記ステップＳＴ２１おいて、商用電力系統５０が停電であった場合、スペースヒータ２０の運転中、即ち加熱電流供給中か否かを判断し（ステップＳＴ２７）、運転中であったらスペースヒータ２０を停止、即ち加熱電流の給電を停止し（ステップＳＴ２８）、非常用発電システムの非常運転に入り、燃料電池室１２内の加温は燃料電池１８の排熱でおこなう。この非常運転において、燃料電池１８の運転を開始し（ステップＳＴ２９）、続いて温度センサ４１の検出出力により外気温度が設定温度以下かを判断し（ステップＳＴ３０）、ＹＥＳであったら暖機運転タイマー（設定時間＝Ｘ秒）を起動する（ステップＳＴ３１）。
続いて暖機運転タイマーのカウントダウンにより暖機運転タイマー＝０まで待機し（ステップＳＴ３２）、換気ファン１５を運転し（ステップＳＴ３３）、商用電力系統５０がＯＫ、即ち給電開始まで継続する（ステップＳＴ３４）。商用電力系統５０が給電を開始したら、非常運転を終了し、待機状態となる。

冬期の寒冷下なおいて、非常用燃料電池発電システムの非常運転を行なった場合、換気ファン１５による換気と燃料電池の排熱のアンバランスを補うため、換気ファン１５は燃料電池室１２内の温度を制御対象とした可変速運転機能を追加している。図５は冬期の寒冷下なおいて、非常用燃料電池発電システムの非常運転を行なった場合の本発明に係る非常用発電システムの運用フローチャートを示す図である。

スペースヒータの温調運転において、先ず商用電力系統５０がＯＫかを判断し（ステップＳＴ４１）、給電中であったら次にスペースヒータ２０を停止中か否かを判断し（ステップＳＴ４２）、停止中であったら続いて温度センサ４２の検出出力により、筐体１０、即ち燃料電池室１２内の温度が所定の設定値以下かを判断し（ステップＳＴ４３）、設定値以下であったらスペースヒータ２０をＯＮ、即ち加熱電流を供給する（ステップＳＴ４４）。次に筐体１０内の温度が所定の設定値＋２℃以上かを判断し（ステップＳＴ４５）、ＹＥＳであったらスペースヒータ２０をＯＦＦ、即ち加熱電流の供給を停止にする（ステップＳＴ４６）。

上記ステップＳＴ４１おいて、商用電力系統５０が停電であった場合、スペースヒータ２０の運転中、即ち加熱電流供給中か否かを判断し（ステップＳＴ４７）、運転中であったらスペースヒータ２０を停止、即ち加熱電流の給電を停止し（ステップＳＴ４８）、非常用発電システムの非常運転に入り、燃料電池１８の運転を開始し（ステップＳＴ４９）、続いて温度センサ４１の検出出力により外気温度が設定温度以下かを判断し（ステップＳＴ５０）、ＹＥＳであったら暖機運転タイマー（設定時間＝Ｘ秒）を起動する（ステップＳＴ５１）。続いて暖機運転タイマーのカウントダウンにより暖機運転タイマー＝０まで待機し（ステップＳＴ５２）、換気ファン１５を運転する（ステップＳＴ５３）。

続いて筐体１０内、即ち即ち燃料電池室１２内の温度が所定の設定値以上か否かを判断し（ステップＳＴ５４）、ＮＯの場合は換気ファン１５の換気風量を少風量とし（ステップＳＴ５５）、ＹＥＳの場合は換気ファン１５の換気風量を大風量とする（ステップＳＴ５６）。
商用電力系統５０がＯＫ、即ち給電開始まで継続する（ステップＳＴ５７）。商用電力系統５０が給電を開始したら、非常運転を終了し、待機状態となる。

以上本発明の実施形態を説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲、及び明細書と図面に記載された技術的思想の範囲内において種々の変形が可能である。

本発明に係る非常用発電システムのシステム構成例を示す図である。 本発明に係る非常用発電システムの非常運転時のを示す図である。 本発明に係る非常用発電システムの運用フローチャートである。 本発明に係る非常用発電システムの運用フローチャート（外気温度が低い場合）である。 本発明に係る非常用発電システムの運用フローチャート（冬期の寒冷下）である。

符号の説明

１０ 筐体
１１ 仕切壁
１２ 燃料電池室
１３ 水素ガス容器室
１４ 排気口
１５ 換気ファン
１６ 吸気口
１７ プレフィルタ
１８ 燃料電池
１９ 制御盤
２０ スペースヒータ
２１ 第１水素ボンベ
２２ 第２水素ボンベ
２３ 窒素ボンベ
２８ 手動弁
２９ 手動弁
３０ 空気圧作動弁
３２ レギュレータ付自動弁又は半自動切換弁
３３ 手動弁
３４ レギュレータ
３５ 手動弁
３６ 電磁弁
３７ 電磁弁
３８ 圧力センサ
３９ 水素センサ
４０ 水素センサ
４１ 温度センサ
４２ 温度センサ
４３ 無停電電源装置（ＵＰＳ）
４４ 配管
５０ 商用電力系統
５１ 分電盤
５２ 重要負荷

Claims (4)

1. 筐体内に燃料電池を収容した燃料電池室と、燃料となる水素を蓄えた水素ガス容器を収容した水素ガス容器室とを備え、停電時に手動又は自動で前記燃料電池の発電運転を開始し、対象とする負荷系統に電力を供給する非常用燃料電池発電システムにおいて、
   前記燃料電池室に電力を用いる加熱源を設け、待機中は該燃料電池室内を該加熱源により予め設定した温度以上に保ち、停電時の非常運転中は前記加熱源による加温を中止し、前記燃料電池の運転に伴う排熱を利用して該燃料電池室内温度を管理する温度管理手段を設けたことを特徴とする非常用燃料電池発電システム。
2. 請求項１に記載の非常用燃料電池発電システムにおいて、
   通常は前記燃料電池の運転と連動して前記燃料電池室内の換気を行なう換気ファンを設け、前記温度管理手段による前記燃料電池の運転に伴う排熱を利用した温度管理を実施する時、該温度管理手段は外気温度が予め設定された温度以下の場合、前記換気ファンの運転を前記燃料電池の運転開始より所定時間を遅らせることを特徴とする非常用燃料電池発電システム。
3. 請求項１又は２に記載の非常用燃料電池発電システムにおいて、
   前記温度管理手段による前記燃料電池の運転に伴う排熱を利用した温度管理を実施し、前記燃料電池と連動する換気ファンが運転している時に、前記温度管理手段は前記燃料電池の排熱量と吸気する外気空気温度に従って換気ファン風量を制御して前記燃料電池室内温度を管理することを特徴とする非常用燃料電池発電システム。
4. 請求項１乃至３のいずれか１項に記載の非常用燃料電池発電システムにおいて、
   前記燃料電池が固体高分子形燃料電池であることを特徴とする非常用燃料電池発電システム。

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