JP2006338974A - 燃料電池発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 系統電源からの電源が途絶えても保温装置に電源を供給して燃料電池を保温する。
【解決手段】 通常の稼動時には、保温ヒータ２に対しては系統電源から電源供給を行って燃料電池スタックの保温を行う。停電によって保温ヒータ２に対する系統電源からの電源供給が途絶えたときには、切り替え機構部３を介して、手動あるいは自動で、制御電源用のＵＰＳ４のバッテリ４ｂから保温ヒータ２に対して電源供給を行う。これにより、燃料電池スタックを確実に保温することができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は燃料電池発電装置に関し、特に燃料電池スタック等の保温機能を備えた燃料電池発電装置に関する。

従来、燃料電池を用いて発電を行う燃料電池発電装置においては、例えばその燃料電池にリン酸型燃料電池を用いる場合には、通常、ヒータ等の保温装置を用いて燃料電池スタックを５０℃程度に保温し、燃料電池の電解質として用いられているリン酸の凍結を防止している。また、燃料電池発電装置自体あるいはその周辺設備の保守点検や工事、燃料電池発電装置の輸送中等、装置の運転を停止する際には、例えば次に示すような方法を用いてリン酸の凍結を防止している。

（１）燃料電池スタックの上下締め付け板あるいはマニホールドにヒータを取り付け、そのヒータを外部からの電源によって動作させ、燃料電池の温度低下を防止する。
（２）燃料電池冷却水を発電装置内に設けたヒータで一定温度に加温し、その冷却水を発電装置内の循環ポンプで燃料電池スタック内に循環させ、燃料電池の温度低下を防止する。

また、これらの方法は、固体高分子型燃料電池においても、その電解質層等に含まれている水の凍結による破損を防止する目的で応用可能である。
なお、従来は、システムの運転停止中等に、燃料供給ポンプ、冷却水循環ポンプ、空気供給用ブロワ等の供給・循環用の補機装置や電池冷却水加熱装置等の加熱用の補機装置を、商用外部電源や通常の稼動時に燃料電池と協働して負荷装置に電源を供給するバッテリを使って動作させ、それによって冷却水を温め、燃料電池を保温するようにした提案もなされている（特許文献１参照）。
特開２００１−１４３７３６号公報

しかし、ヒータ等の保温装置を用いて燃料電池の保温を行う構成とした場合には、従来は燃料電池発電装置が連系される系統電源（商用外部電源）を用いて保温装置を動作させていた。そのため、燃料電池発電装置への系統電源からの電源供給が途絶えた場合、例えば、周辺設備の保守や工事による全停電の際、突発的な事故による停電の際、落雷等の自然災害による停電の際等には、そのままでは保温装置への電源供給が行われなくなり、燃料電池の保温ができなくなる。

停電が長時間になるような場合、現状では、系統電源と同じ電圧を有するディーゼル発電機等を用い、そこから燃料電池発電装置への電源供給を行い、その保温装置への電源供給を行うことで対応している。しかしながら、ディーゼル発電機の輸送や保守点検、停電期間中の燃料の用意や補給等、それに伴う人的負担が大きいという問題点がある。また、突発的な事故や自然災害による停電の際には、そのような対応は必ずしも容易でなく、燃料電池が保温されないままの状態で放置される可能性もある。

また、保温装置に対し、燃料電池と協働して負荷装置に電源を供給するバッテリを用いると、保温に伴い電力が消費され、その残存容量が減少することになる。停電時にそのようなバッテリを使って保温を行い、停電復旧後改めて燃料電池を起動させると、特に起動初期の段階では燃料電池から安定した出力を得ることが難しくなる。バッテリの残存容量が設定値以下になったときにそのバッテリによって燃料電池を起動し、そのバッテリの充電を行う方法も提案されているが、その間も燃料は消費されてしまう。

本発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、系統電源からの電源供給が途絶えた場合でも燃料電池の保温装置に対して容易に、素早く、低コストで電源供給を行うことのできる燃料電池発電装置を提供することを目的とする。

本発明では上記問題を解決するために、燃料電池を用いて発電を行う燃料電池発電装置において、前記燃料電池を保温する保温装置に対して系統電源と前記系統電源からの電源供給が途絶えたときの制御電源として用いられる制御電源用無停電電源装置のいずれからも電源供給が可能であることを特徴とする燃料電池発電装置が提供される。

このような燃料電池発電装置によれば、保温装置に対して系統電源からも制御電源用無停電電源装置からも電源供給が行える。それにより、停電等によって系統電源から保温装置への電源供給が途絶えた場合でも、保温装置へは燃料電池発電装置内の制御電源用無停電電源装置から電源供給が行える。

また、本発明では、燃料電池を用いて発電を行う燃料電池発電装置において、前記燃料電池を保温する保温装置に対して系統電源と装置外の容易に入手し得る外部電源のいずれからも電源供給が可能であることを特徴とする燃料電池発電装置が提供される。

このような燃料電池発電装置によれば、保温装置に対して系統電源からも外部電源からも電源供給が行え、そのような外部電源として、例えばバッテリ、小型発電機、家庭用電源といった容易に入手可能な直流電源や交流電源を用いる。それにより、系統電源から保温装置への電源供給が途絶えた場合でも、保温装置への電源供給が行える。

本発明の燃料電池発電装置は、燃料電池の保温装置に対して系統電源と制御電源用無停電電源装置のいずれからも電源供給が行えるようにし、あるいは保温装置に対して系統電源と容易に入手し得る外部電源のいずれからも電源供給が行えるようにした。これにより、停電によって系統電源から保温装置への電源供給が途絶えた場合でも、容易に保温装置への電源供給が行え、燃料電池を確実に保温することができる。

特に制御電源用無停電電源装置を用いる場合には、元々燃料電池発電装置内に存在する電源装置を用いて保温装置への電源供給を行うため、停電時にも素早く保温装置の動作電源を確保して燃料電池を保温することができる。さらに、このように元々燃料電池発電装置内に存在する電源装置を用いるため、あらたに電源装置を設ける必要がなく、保温装置の動作電源を低コストで確保することができる。

また、容易に入手可能な外部電源を用いる場合には、種々の電源を利用することが可能になるため、停電時に保温装置の動作電源を迅速に低コストで確保することも可能である。さらに、そのような外部電源を利用することで、停電時に系統電源と同じ電圧を有する発電機等、大がかりな設備を準備する必要がなくなる。

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照して詳細に説明する。
まず、第１の実施の形態について説明する。
図１は第１の実施の形態の燃料電池発電装置の概略図である。

図１に示す第１の実施の形態の燃料電池発電装置１は、燃料電池スタック（図示せず）を保温するための複数、ここでは２つの保温ヒータ２を備えている。保温ヒータ２は、切り替え機構部３を介して２００Ｖ／２２０Ｖの系統電源の電源供給ライン（系統電源ライン）に接続されており、通常は系統電源からの電源供給によって動作するようになっている。さらに、保温ヒータ２は、切り替え機構部３を介して無停電電源装置（Uninterruptible Power Supply，ＵＰＳ）４に接続可能に構成されている。

このＵＰＳ４には、燃料電池発電装置１が元々備える制御電源用のもの、すなわち補機装置類の動作制御を行う制御機器をはじめ電動弁類やポンプ類等へ制御電源を供給するものが用いられる。燃料電池発電装置１は、保守点検や工事、突発的な事故、自然災害等で全停電になって系統電源から燃料電池発電装置１への電源供給が途絶えた場合には、このＵＰＳ４によってその制御電源を確保するようになっている。

ＵＰＳ４は、変換装置４ａおよびバッテリ４ｂを備え、トランス（Ｔｒ）５を介して系統電源に接続されている。Ｔｒ５は、２００Ｖ／２２０Ｖの系統電源電圧を、１００Ｖの制御電源電圧に変換する。ＵＰＳ４の変換装置４ａは、Ｔｒ５によって１００Ｖの制御電源電圧に変換された交流（ＡＣ）電源を直流（ＤＣ）電源に変換する。また、ＵＰＳ４のバッテリ４ｂは、燃料電池発電装置１の構成に応じて、例えば１２０Ｖ〜２４０Ｖの範囲の電圧に設定されている。

ＵＰＳ４のバッテリ４ｂは、通常の稼動時（系統電源による稼動時）には、この燃料電池発電装置１が連系される系統電源に接続されており、充電された状態になっている。そして、何らかの原因で系統電源側から保温ヒータ２への電源供給が途絶えたときには、ＵＰＳ４のバッテリ４ｂが制御電源として利用されると共に、このバッテリ４ｂから保温ヒータ２に対して電源供給が行われるようになっている。

なお、図１は、バッテリ４ｂが保温ヒータ２へ電源を供給する保温電源として用いられる場合の回路を図示するものであり、バッテリ４ｂが従来通り制御電源として用いられる場合の回路についてはその図示を省略している。また、ここでは図示を省略するが、系統電源側から保温ヒータ２へ電源を供給するラインには、その適当な位置に、ＡＣ電源をＤＣ電源に変換する変換装置を設けるようにする。

ここで、系統電源側とＵＰＳ４側からの保温ヒータ２への電源供給の切り替えを行う切り替え機構部３について説明する。
図２および図３は切り替え機構部の概略図であって、図２は系統電源使用時の結線図、図３はＵＰＳバッテリ電源使用時の結線図である。

例えば、系統電源電圧が２００Ｖ、ＵＰＳ４の電圧が１００Ｖであり、そのＵＰＳ４に用いられているバッテリ４ｂの電圧が１６０Ｖである場合を想定する。通常の稼動時、すなわち系統電源から保温ヒータ２へ電源供給が行われているときには、保温ヒータ２が２つの場合、図２に示すように、保温ヒータ２は系統電源に直列に接続されて保温ヒータ２にはそれぞれ１００Ｖの電圧が印加されるようになっている。保温ヒータ２は、その電圧に応じた発熱量で燃料電池スタックを保温することになる。

そして、系統電源側からの電源供給が途絶えたときには、保温ヒータ２への電源供給ラインを、例えば手動で、ＵＰＳ４側に切り替える。例えば、保温ヒータ２とＵＰＳ４のバッテリ４ｂとを接続するライン間にスイッチを設けておき、系統電源側からの電源供給が途絶えたときにそのスイッチによって電源供給ラインをＵＰＳ４側に切り替えるようにすればよい。

ただし、そのバッテリ４ｂの電圧が上記のように１６０Ｖだとすると、図２に示した結線の状態のままでは保温ヒータ２に印加される電圧が低下するため、保温ヒータ２の発熱量が減少して燃料電池スタックの保温が十分に行えなくなる可能性がある。そのため、保温ヒータ２には、その配線の途中にコネクタ３ａが取り付けられており、系統電源側からの電源供給が途絶えたときには、保温ヒータ２への電源供給を手動でＵＰＳ４側に切り替え、さらに必要に応じて、そのコネクタ３ａを利用して保温ヒータ２の結線を切り替えられるようになっている。

例えば、図３に示すように、コネクタ３ａを利用して２つの保温ヒータ２をＵＰＳ４のバッテリ４ｂに並列に接続する。このように結線を変更することにより、系統電源使用時と同じく、保温ヒータ２にそれぞれ１００Ｖの電圧が印加されるように調節することが可能になる。このように、コネクタ３ａを利用して保温ヒータ２の結線を手動で適宜切り替えるようにすることで、ＵＰＳ４側への切り替え時に発熱量が減少してしまうのを防ぎ、系統電源側からの電源供給が途絶えたときにも、燃料電池スタックの保温が確実に行えるようになる。

また、保温ヒータ２の結線の切り替えは、このようにコネクタ３ａを利用して手動で行うほか、電磁接触器を利用して自動で行うようにすることも可能である。
図４は電磁接触器を利用した切り替え機構部の概略図である。

図４に示す切り替え機構部３は、可逆形電磁接触器を利用しており、２つの保温ヒータ２に対して設けられた系統電源側の４つのスイッチ３ｂとそれらの開閉を制御するコイル３ｃ、および２つの保温ヒータ２に対して設けられたＵＰＳ４側の４つのスイッチ３ｄとそれらの開閉を制御するコイル３ｅを有している。

そして、この切り替え機構部３は、コイル３ｃ，３ｅに電流が流れるときには系統電源側（２００Ｖ側）のスイッチ３ｂがすべて閉じてＵＰＳ４側（１００Ｖ側）のスイッチ３ｄがすべて開き、コイル３ｃ，３ｅに電流が流れないときには系統電源側のスイッチ３ｂがすべて開いてＵＰＳ４側のスイッチ３ｄがすべて閉じるようになっている。

すなわち、通常の稼動時には、図４に示したように、コイル３ｃ，３ｅに電流が流れることによって系統電源側のスイッチ３ｂが閉じてＵＰＳ４側のスイッチ３ｄが開いているため、系統電源に直列に接続された２つの保温ヒータ２に対して系統電源からの電源供給が行われるようになる。

一方、系統電源側からの電源供給が途絶えたときには、コイル３ｃ，３ｅに電流が流れなくなるため、系統電源側のスイッチ３ｂが開いてＵＰＳ４側のスイッチ３ｄが閉じるようになる。そして、２つの保温ヒータ２に対してＵＰＳ４のバッテリ４ｂからの電源供給が行われるようになる。

なお、２つの保温ヒータ２は、ＵＰＳ４の使用時における所定の発熱量を確保するため、図４に示したように、バッテリ４ｂに並列に接続されるようになっている。ただし、２つの保温ヒータ２は、バッテリ４ｂに必ずしも並列に接続されていることを要せず、上記図２および図３に示したように、コネクタを利用して手動で直列と並列の切り替えを行えるようにしてもよい。

途絶えていた系統電源側からの電源供給が復旧したときには、コイル３ｃ，３ｅに電流が流れ、再び図４に示した結線の状態に戻り、２つの保温ヒータ２に対して系統電源から電源供給が行われるようになる。

切り替え機構部３をこのような構成とすることにより、系統電源側からの電源供給が途絶えたときには、保温ヒータ２への電源供給ラインを系統電源側からＵＰＳ４側に自動で切り替え、系統電源側からの電源供給が復旧したときには、保温ヒータ２への電源供給ラインをＵＰＳ４側から系統電源側に自動で切り替えることが可能になる。

以上述べたように、第１の実施の形態の燃料電池発電装置１は、保温ヒータ２に電源を供給する保温電源として、燃料電池発電装置１内で使用する制御電源用のＵＰＳ４のバッテリ４ｂを用いるようにした。バッテリ４ｂは、制御電源として使用することに加えて保温電源としても使用することも考慮に入れ、その容量が適当に設定される。このように、保温ヒータ２の結線の切り替えと、バッテリ４ｂの容量変更を行うのみで、新たな保温電源を設けることを要しない。それにより、保温ヒータ２の電源を低コストで確保し、停電時における人的負担の低減、突発的な停電にも対応して燃料電池スタックの保温を確実に行うことができる。

次に、第２の実施の形態について説明する。
図５は第２の実施の形態の燃料電池発電装置の概略図である。ただし、図５では、図１に示した要素と同一の要素については同一の符号を付し、その説明の詳細は省略する。

図５に示す第２の実施の形態の燃料電池発電装置１０は、通常の稼動時に系統電源から電源供給が行われる保温ヒータ２に対して、系統電源側からの電源供給が途絶えたときには燃料電池発電装置１０の外部から電源を供給することができるようにしている点で、ＵＰＳ４を利用した第１の実施の形態の燃料電池発電装置１と相違する。

燃料電池発電装置１０の外部から保温ヒータ２に対して電源供給を行うための外部保温電源１１としては、バッテリ、小型発電機、家庭用電源等、一般に提供あるいは供給されていて市中でも比較的容易に入手可能なものを用いることができる。例えば、２４Ｖ，９６Ｖ，１２０Ｖ等の直流電源や、家庭用に配電されている１００Ｖ／１１０Ｖの交流電源でよい。

このような電源が供給できるよう、保温ヒータ２からは電源供給ラインを燃料電池発電装置１０外に通じる電源供給口（図示せず）まであらかじめ伸ばしておき、系統電源側からの電源供給が途絶えたときに、上記のような外部保温電源１１を容易かつ迅速に接続することができるように構成されている。

また、燃料電池発電装置１０の切り替え機構部３は、上記第１の実施の形態の燃料電池発電装置１の場合と同じく、保温ヒータ２の配線途中にコネクタを設けて結線を切り替えることができるようになっている。すなわち、用いる外部保温電源１１の電圧や保温ヒータ２の数等に応じて、適宜手動で結線を切り替えられるようになっている。

なお、上記のような外部保温電源１１を燃料電池発電装置１０に常時接続しておき、保温ヒータ２への電源供給を系統電源側から行うか、外部保温電源１１側から行うかを、例えば可逆形電磁接触器を用いて自動で行うようにすることも可能である。

以上述べたように、第２の実施の形態の燃料電池発電装置１０は、系統電源側からの電源供給が途絶えたときの保温ヒータ２への電源供給を、市中でも比較的容易に入手可能なバッテリ、小型発電機、家庭用電源といった種々の外部保温電源１１によって行えるようにした。そのため、燃料電池スタックの保温のために、系統電源と同じ電圧を有するディーゼル発電機等の大がかりな発電設備を準備する必要がなくなる。このような燃料電池発電装置１０によっても、燃料電池スタックの保温を確実に行うことができるようになる。また、外部保温電源１１として、容易に入手し得るものを用いることができるようにしたので、従来のような大がかりな発電設備を利用する場合に比べ、低コストで保温ヒータ２の電源を確保して燃料電池スタックの保温が行えるようになる。

なお、以上の説明では、２つの保温ヒータ２によって燃料電池スタックを保温する場合を例にして述べたが、保温ヒータ２の数はこれに限定されるものではなく、３つ以上であっても構わない。その場合には、上記の例に従い、系統電源とＵＰＳ４あるいは外部保温電源１１との切り替え前後の回路構成を適宜変更すればよい。

また、以上の説明では、系統電源が停電によって途絶えてしまったときの保温ヒータ２に対する電源供給を中心にして述べたが、停電の場合に限らず、保温ヒータ２を系統電源から切り離して燃料電池発電装置１，１０の保守点検を行うような場合等にも同様に適用可能である。

第１の実施の形態の燃料電池発電装置の概略図である。 系統電源使用時の結線図である。 ＵＰＳバッテリ電源使用時の結線図である。 電磁接触器を利用した切り替え機構部の概略図である。 第２の実施の形態の燃料電池発電装置の概略図である。

符号の説明

１，１０ 燃料電池発電装置
２ 保温ヒータ
３ 切り替え機構部
３ａ コネクタ
３ｂ，３ｄ スイッチ
３ｃ，３ｅ コイル
４ ＵＰＳ
４ａ 変換装置
４ｂ バッテリ
１１ 外部保温電源

Claims (10)

1. 燃料電池を用いて発電を行う燃料電池発電装置において、
   前記燃料電池を保温する保温装置に対して系統電源と前記系統電源からの電源供給が途絶えたときの制御電源として用いられる制御電源用無停電電源装置のいずれからも電源供給が可能であることを特徴とする燃料電池発電装置。
2. 前記保温装置に対する前記系統電源からの電源供給と前記制御電源用無停電電源装置からの電源供給とを切り替える切り替え機構部を有していることを特徴とする請求項１記載の燃料電池発電装置。
3. 前記切り替え機構部は、結線を変更して前記保温装置に印加される電圧を調節するためのコネクタを有していることを特徴とする請求項２記載の燃料電池発電装置。
4. 前記切り替え機構部は、前記保温装置に対する前記系統電源からの電源供給が途絶えたときに、前記保温装置に対して前記制御電源用無停電電源装置から電源供給が行われるように構成されていることを特徴とする請求項２記載の燃料電池発電装置。
5. 前記切り替え機構部は、電磁接触器を用いて、前記保温装置に対する前記系統電源からの電源供給が途絶えたときに、前記保温装置に対して前記制御電源用無停電電源装置から電源供給が行われるように構成されていることを特徴とする請求項４記載の燃料電池発電装置。
6. 燃料電池を用いて発電を行う燃料電池発電装置において、
   前記燃料電池を保温する保温装置に対して系統電源と装置外の容易に入手し得る外部電源のいずれからも電源供給が可能であることを特徴とする燃料電池発電装置。
7. 前記外部電源は、バッテリ、小型発電機または家庭用電源であることを特徴とする請求項６記載の燃料電池発電装置。
8. 前記保温装置に対する前記系統電源からの電源供給と前記外部電源からの電源供給とを切り替える切り替え機構部を有していることを特徴とする請求項６記載の燃料電池発電装置。
9. 前記切り替え機構部は、結線を変更して前記保温装置に印加される電圧を調節するためのコネクタを有していることを特徴とする請求項８記載の燃料電池発電装置。
10. 前記外部電源に常時接続され、前記切り替え機構部は、前記保温装置に対する前記系統電源からの電源供給が途絶えたときに、前記保温装置に対して前記外部電源から電源供給が行われるように構成されていることを特徴とする請求項８記載の燃料電池発電装置。
    

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