JP2014110074A

JP2014110074A - ２次電池型燃料電池システム及びそれを備えた給電システム

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Publication number: JP2014110074A
Application number: JP2012262170A
Authority: JP
Inventors: Katsuichi Uratani; 勝一浦谷
Original assignee: Konica Minolta Inc
Current assignee: Konica Minolta Inc
Priority date: 2012-11-30
Filing date: 2012-11-30
Publication date: 2014-06-12

Abstract

【課題】外部から供給される電力の変動を補償することができる安全で且つ高効率な２次電池型燃料電池システムを提供する。
【解決手段】２次電池型燃料電池システムは、電力補償部と、フィルタ部と、時定数制御部とを備える。前記電力補償部は、外部から供給される電力の変動を、燃料発生部から供給される燃料ガスを用いて発電を行う発電機能及び前記燃料発生部の再生時に前記燃料発生部から供給される生成物（前記燃料ガスが生成される化学反応の逆反応の生成物）を電気分解する電気分解機能を有する発電・電気分解部の発電電力または前記発電・電気分解部の電気分解に必要な電力によって補償する。前記フィルタ部は、時定数の変更が可能であり、前記電力補償部から出力される電力を平滑化する。前記時定数制御部は、前記外部から供給される電力の変動に基づいて前記フィルタ部の時定数を制御する。
【選択図】図１

Description

本発明は、発電動作だけでなく充電動作も行える２次電池型燃料電池システム及びそれを備えた給電システムに関する。

近年、地球温暖化防止や化石燃料資源枯渇対策の観点から、風力エネルギーや太陽エネルギーなどの自然エネルギーを用いて発電を行う発電設備（以下、「自然エネルギー発電設備」ともいう。）が電力系統に多数接続されるようになってきている。

自然エネルギー発電設備は、世界各地で盛んに建設されている。また、離島や限られた地域内に電力を供給する小規模配電網であるマイクログリッドに自然エネルギー発電設備を分散型電源として配備することも検討されている。

しかし、自然エネルギーは不規則に変動するため、自然エネルギー発電設備を電力系統に接続すると、電力系統の周波数や電圧が変動するおそれがある。特に、風力エネルギーは不規則であり、風力発電機の出力電力は風速の３乗に比例するため僅かな風速の変動に対しても大きく変動する。このため、風力エネルギーを用いて発電を行う発電設備に接続される電力系統の周波数や電圧は乱れやすい。

また、マイクログリッドに自然エネルギー発電設備を配備した場合、電力系統の規模が小さいため、自然エネルギーの不規則な変動に起因する電力系統の周波数や電圧の変動がより顕著になる。

一方、電力品質の確保に対する需要者からの要求に応えるために、自然エネルギー発電設備に接続される電力系統の周波数や電圧の変動を一定範囲内に収める必要がある。このため、自然エネルギー発電設備の出力変動を蓄電池の充放電によって補償する方法が提案されている。

特開２０１１−１８１２２８号公報

上記の用途で用いられる蓄電池は、安価で大容量であることが必要であり、現在ナトリウム−硫黄電池などが提案されているが（例えば特許文献１参照）、自然エネルギー発電設備の出力変動を補償する際に蓄電池の効率が悪化することや安全性が課題になっている。

本発明は、上記の状況に鑑み、外部から供給される電力の変動を補償することができる安全で且つ高効率な２次電池型燃料電池システム及びそれを備えた給電システムを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために本発明に係る２次電池型燃料電池システムは、化学反応によって燃料ガスを放出することができ、前記燃料ガスが生成される化学反応の逆反応によって再生可能な燃料発生部と、前記燃料発生部から供給される前記燃料ガスを用いて発電を行う発電機能及び前記燃料発生部の再生時に前記燃料発生部から供給される前記逆反応の生成物を電気分解する電気分解機能を有する発電・電気分解部とを備え、前記燃料発生部と前記発電・電気分解部との間で前記燃料ガスを含むガスを循環させる２次電池型燃料電池システムであって、外部から供給される電力の変動を、前記発電・電気分解部の発電電力または前記発電・電気分解部の電気分解に必要な電力によって補償する電力補償部と、時定数の変更が可能であり、前記電力補償部から出力される電力を平滑化するフィルタ部と、前記外部から供給される電力の変動に基づいて前記フィルタ部の時定数を制御する時定数制御部とを備える構成（第１の構成）とする。なお、前記発電・電気分解部は、例えば、前記燃料発生部から供給される前記燃料ガスを用いて発電を行う発電動作と、前記燃料発生部の再生時に前記燃料発生部から供給される前記逆反応の生成物を電気分解する電気分解動作とを切り替える燃料電池を備える構成であってもよく、また、例えば、前記燃料発生部から供給される前記燃料ガスを用いて発電を行う燃料電池と、前記燃料発生部の再生時に前記燃料発生部から供給される前記逆反応の生成物を電気分解する電気分解器とを別個に備える構成であってもよい。

また、上記第１の構成の２次電池型燃料電池システムにおいて、前記時定数制御部が、前記フィルタ部から出力される電力が所定の下限値を下回らず所定の上限値を上回らない条件下で前記フィルタ部の損失電力が最小となるように、前記フィルタ部の時定数を制御するようにしてもよい。

また、上記第１の構成の２次電池型燃料電池システムにおいて、前記発電・電気分解部の発電電力の周波数及び前記発電・電気分解部の電気分解に必要な電力の周波数を、前記フィルタ部の時定数に対応させて設定する周波数設定部を備え、前記発電・電気分解部の損失電力と前記フィルタ部の損失電力との合計が最小となるように、前記時定数制御部が前記フィルタ部の時定数を制御し、前記周波数設定部が、前記発電・電気分解部の発電電力の周波数及び前記発電・電気分解部の電気分解に必要な電力の周波数を設定するようにしてもよい。

また、上記目的を達成するために本発明に係る給電システムは、上記いずれかの構成の２次電池型燃料電池システムと、自然エネルギーを用いて発電を行うとともに、前記２次電池型燃料電池システムに電力を供給する発電設備とを備える構成とする。

本発明に係る２次電池型燃料電池システム及びそれを備えた給電システムによると、前記２次電池型燃料電池システムの外部から前記２次電池型燃料電池システムに供給される電力の変動を前記電力補償部によって補償することができ、更に、前記電力補償部によって十分に補償できなかった変動を時定数の変更が可能な前記フィルタ部によって平滑化する。このため、前記２次電池型燃料電池システムの外部から前記２次電池型燃料電池システムに供給される電力が不規則に変化する場合にも十分対応できる。

また、ナトリウム−硫黄電池を用いず燃料電池を用いるので、安全である。

また、前記電力補償部によって十分に補償できなかった変動を時定数の変更が可能な前記フィルタ部によって平滑化するので、前記発電・電気分解部の発電電力または前記発電・電気分解部の電気分解に必要な電力を外部から供給される電力の変動に合わせて高精度に変動させる必要がなくなる。したがって、損失電力の大きい動作領域を回避して前記発電・電気分解部を動作させることができ、高効率化を図ることができる。

本発明の第１実施形態に係る給電システムの概略構成を示す図である。電力のタイムチャートである。２次電池型燃料電池部の構成例を示す模式図である。燃料電池部の交流インピーダンス特性を示す図である。フィルタ部の構成例を示す図である。本発明の第２実施形態に係る給電システムの概略構成を示す図である。燃料電池部およびフィルタ部の損失電力を示す図である。

本発明の実施形態について図面を参照して以下に説明する。なお、本発明は、後述する実施形態に限られない。

＜第１実施形態＞
本発明の第１実施形態に係る給電システムの概略構成を図１に示す。本実施形態に係る給電システムは、例えば風力エネルギーを用いて発電を行う風力発電設備や太陽光エネルギーを用いて発電を行う太陽光発電設備などの自然エネルギー発電設備１００と、２次電池型燃料電池システム２００とを備えており、２次電池型燃料電池システム２００から出力される電力を電力系統へ給電している。

２次電池型燃料電池システム２００は、外部電力制御部１０と、２次電池型燃料電池部２０と、合成部３０と、フィルタ部４０と、差分部５０と、電力指示調整部６０と、周波数判断部７０とを備えている。

外部電力制御部１０は、電力指示調整部６０からの指示に従って、自然エネルギー発電設備１００から供給される電力の全てを合成部３０に供給するか、自然エネルギー発電設備１００から供給される電力の一部を合成部３０に供給し残りを２次電池型燃料電池部２０に供給するかのいずれかを行う。

２次電池型燃料電池部２０は、電力指示調整部６０からの指示に従って、発電電力を合成部３０に供給するか、外部電力制御部１０から供給される電力を用いて電気分解を行うことにより燃料発生部材１（図３参照）を再生するかのいずれかを行う。

合成部３０は、外部電力制御部１０から供給される電力と２次電池型燃料電池部２０から供給される電力とを合成し、その合成した電力をフィルタ部４０に出力する。

フィルタ部４０は、周波数判断部７０から出力される遮断周波数に関する情報に基づいて時定数を変更し、合成部３０から供給される電力を平滑化し、その平滑化した電力を電力系統に出力する。

差分部５０は、自然エネルギー発電設備１００から出力される電力に関する情報およびフィルタ部４０から出力される電力に関する情報を取得し、自然エネルギー発電設備１００から出力される電力の変動とフィルタ部４０から出力される電力の変動との差分を求め、その差分情報を電力指示調整部６０および周波数判断部７０に出力する。なお、図１に示す例とは異なり、差分部５０が、自然エネルギー発電設備１００から出力される電力の変動とフィルタ部４０に入力される電力の変動との差分を求めるようにして、差分情報にフィルタ部４０における遅延が影響しないようにしてもよい。

電力指示調整部６０は、差分部５０から出力される差分情報に基づいて、外部電力制御部１０および２次電池型燃料電池部２０に指示を出す。例えば、自然エネルギー発電設備１００から出力される電力が図２（ａ）に示すグラフＧ１である場合、電力系統に出力する電力をフィルタ部４０による平滑化に頼らずに図２（ａ）に示すグラフＧ２のように下限値ＬＬを下回らず上限値ＵＬを上回らないようにするためには、２次電池型燃料電池部２０が合成部３０に供給する電力および外部電力制御部１０から２次電池型燃料電池部２０に供給される電力を図２（ｂ）に示すグラフＧ３のように変動させる必要がある。しかしながら、電力指示調整部６０は、２次電池型燃料電池部２０が合成部３０に供給する電力および外部電力制御部１０から２次電池型燃料電池部２０に供給される電力を、図２（ｂ）に示すグラフＧ３のように高精度に変動させず、図２（ｃ）に示すグラフＧ４のように所定の周波数で変動する電力にするための指示を外部電力制御部１０および２次電池型燃料電池部２０に出す。なお、前記所定の周波数は、後述する図４に示す交流インピーダンス特性における発電反応または電気分解反応による活性化抵抗を示す周波数帯域ＦＢ２に含まれるようにする。また、２次電池型燃料電池部２０は、複数の２次電池型燃料電池を備えており、出力に対して余力があり、出力する２次電池型燃料電池の数を増減させることにより出力電力を増減することができる構成である。

周波数判断部７０は、差分部５０から出力される差分情報に基づいて、フィルタ部４０から出力される電力が下限値ＬＬを下回らず上限値ＵＬを上回らない条件下でフィルタ部４０の損失電力が最小となるフィルタ部４０の遮断周波数を判断し、その判断した遮断周波数に関する情報をフィルタ部４０に出力する。なお、図１に示す例とは異なり、周波数判断部７０が、差分部５０から出力される差分情報の代わりに、自然エネルギー発電設備１００から出力される電力の変動に関する情報または合成部３０から出力される電力の変動に関する情報などを用いるようにしてもよい。

次に、２次電池型燃料電池部２０の構成例を図３に示す。図３に示す構成例において、２次電池型燃料電池部２０は、燃料発生部材１と、燃料電池部２と、燃料発生部材１を加熱するヒーター３と、燃料電池部２を加熱するヒーター４と、燃料発生部材１及びヒーター３を収容する容器５と、燃料電池部２及びヒーター４を収容する容器６と、燃料発生部材１と燃料電池部２の間でガスを循環させるための配管７と、燃料発生部材１と燃料電池部２の間でガスを強制的に循環させるポンプ８と、スイッチＳ１と、スイッチＳ２とを有する２次電池型燃料電池を複数備えている（図３においては一つの２次電池型燃料電池のみを図示している）。また、図示を省略しているが、２次電池型燃料電池部２０の各２次電池型燃料電池は、ヒーター３と、ヒーター４を制御する温度制御部も備えている。また、必要に応じて、燃料発生部材１や燃料電池部２の周辺に温度センサ等を設けてもよい。また、ポンプ８の代わりに、例えばコンプレッサ、ファン、ブロアなどの他の循環器を用いてもよい。なお、循環器を設けなくてもガス循環量を十分に確保できる場合には循環器を設けなくてもよい。

燃料発生部材１としては、例えば、金属を母材として、その表面に金属または金属酸化物が添加されており、酸化性ガス（例えば水蒸気）との酸化反応によって燃料ガス（例えば水素）を発生し、還元性ガス（例えば水素）との還元反応により再生可能なものを用いることができる。母材の金属としては例えば、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｐｄ、Ｖ、Ｍｇやこれらを基材とする合金が挙げられ、特にＦｅは安価で、加工も容易なので好ましい。また、添加される金属としては、Ａｌ、Ｒｄ、Ｐｄ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｃｏ、Ｖ、Ｍｏが挙げられ、添加される金属酸化物としてはＳｉＯ₂、ＴｉＯ₂が挙げられる。ただし、母材となる金属と、添加される金属は同一の材料ではない。なお、本実施形態においては、燃料発生部材１として、Ｆｅを主体とする燃料発生部材を用いる。

Ｆｅを主体とする燃料発生部材は、例えば、下記の（１）式に示す酸化反応により、酸化性ガスである水蒸気を消費して燃料ガス（還元性ガス）である水素を生成することができる。
４Ｈ₂Ｏ＋３Ｆｅ→４Ｈ₂＋Ｆｅ₃Ｏ₄ …（１）

上記の（１）式に示す鉄の酸化反応が進むと、鉄から酸化鉄への変化が進んで鉄の残量が減っていくが、上記の（１）式の逆反応すなわち下記の（２）式に示す還元反応により、燃料発生部材１を再生することができる。なお、上記の（１）式に示す鉄の酸化反応及び下記の（２）式の還元反応は６００℃未満の低い温度で行うこともできる。
４Ｈ₂＋Ｆｅ₃Ｏ₄→３Ｆｅ＋４Ｈ₂Ｏ …（２）

燃料発生部材１においては、その反応性を上げるために単位体積当りの表面積を大きくすることが望ましい。燃料発生部材１の単位体積当りの表面積を増加させる方策としては、例えば、燃料発生部材１の主体を微粒子化し、その微粒子化したものを成型すればよい。微粒子化の方法は例えばボールミル等を用いた粉砕によって粒子を砕く方法が挙げられる。さらに、機械的な手法などにより微粒子にクラックを発生させることで微粒子の表面積をより一層増加させてもよく、酸処理、アルカリ処理、ブラスト加工などによって微粒子の表面を荒らして微粒子の表面積をより一層増加させてもよい。

燃料発生部材１としては、例えば、微粒子をペレット状の粒に形成してこの粒を多数空間内に埋める形態であってもよく、微粒子をガスが通過する程度の空隙を残して固めたものであってもよい。

燃料電池部２は、図３に示す通り、電解質膜２Ａの両面に燃料極２Ｂと酸化剤極である空気極２Ｃを接合したＭＥＡ構造(膜・電極接合体：Membrane Electrode Assembly)である。なお、図３では、ＭＥＡを１つだけ設けた構造を図示しているが、ＭＥＡを複数設けたり、さらに複数のＭＥＡを積層構造にしたりしてもよい。

電解質膜２Ａの材料としては、例えば、イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）を用いた固体酸化物電解質を用いることができ、また例えば、ナフィオン（デュポン社の商標）、カチオン導電性ポリマー、アニオン導電性ポリマー等の固体高分子電解質を用いることができるが、これらに限定されることなく、水素イオンを通すものや酸素イオンを通すもの、また、水酸化物イオンを通すもの等、燃料電池の電解質としての特性を満たすものであればよい。なお、本実施形態においては、電解質膜２Ａとして、酸素イオン又は水酸化物イオンを通す電解質、例えばイットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）を用いた固体酸化物電解質を用いる。

電解質膜２Ａは、固体酸化物電解質の場合であれば、電気化学蒸着法（ＣＶＤ−ＥＶＤ法；Chemical Vapor Deposition - Electrochemical Vapor Deposition）等を用いて形成することができ、固体高分子電解の場合であれば、塗布法等を用いて形成することができる。

燃料極２Ｂ、空気極２Ｃはそれぞれ、例えば、電解質膜２Ａに接する触媒層と、その触媒層に積層された拡散電極とからなる構成にすることができる。触媒層としては、例えば白金黒或いは白金合金をカーボンブラックに担持させたもの等を用いることができる。また、燃料極２Ｂの拡散電極の材料としては、例えばカーボンペーパ、Ｎｉ−Ｆｅ系サーメットやＮｉ−ＹＳＺ系サーメット等を用いることができる。また、空気極２Ｃの拡散電極の材料としては、例えばカーボンペーパ、Ｌａ−Ｍｎ−Ｏ系化合物やＬａ−Ｃｏ−Ｃｅ系化合物等を用いることができる。燃料極２Ｂ、空気極２Ｃはそれぞれ、例えば蒸着法等を用いて形成することができる。

以下の説明では、燃料ガスとして水素を用いた場合について説明する。

電力指示調整部６０が外部電力制御部１０に対して自然エネルギー発電設備１００から供給される電力の全てを合成部３０に供給させる指示を与える場合、電力指示調整部６０がスイッチＳ１及びＳ２に対して接点ｂを選択させる指示を与える。スイッチＳ１及びＳ２の接点ｂは合成部３０に接続されており、スイッチＳ１及びＳ２が接点ｂを選択することにより、燃料極２Ｂ−空気極２Ｃ間電圧が合成部３０の入力電圧Ｖ_IN30となり、２次電池型燃料電池部２０が発電動作を行う。燃料電池部２では、２次電池型燃料電池部２０の発電時に、燃料極２Ｂにおいて下記の（３）式の反応が起こる。
Ｈ₂＋Ｏ^2-→Ｈ₂Ｏ＋２ｅ^- …（３）

上記の（３）式の反応によって生成された電子は、合成部３０を通って、空気極２Ｃに到達し、空気極２Ｃにおいて下記の（４）式の反応が起こる。
１／２Ｏ₂＋２ｅ^-→Ｏ^2- …（４）

そして、上記の（４）式の反応によって生成された酸素イオンは、電解質膜２Ａを通って、燃料極２Ｂに到達する。上記の一連の反応を繰り返すことにより、燃料電池部２が発電動作を行うことになる。また、上記の（３）式から分かるように、２次電池型燃料電池部２０の発電動作時には、燃料極２Ｂ側においてＨ₂が消費されＨ₂Ｏが生成されることになる。

上記の（３）式及び（４）式より、２次電池型燃料電池部２０の発電動作時における燃料電池部２での反応は下記の（５）式の通りになる。
Ｈ₂＋１／２Ｏ₂→Ｈ₂Ｏ …（５）

一方、燃料発生部材１は、上記の（１）式に示す酸化反応により、２次電池型燃料電池部２０の発電時に燃料電池部２の燃料極２Ｂ側で生成されたＨ₂Ｏを消費してＨ₂を生成する。

上記の（１）式に示す鉄の酸化反応が進むと、鉄から酸化鉄への変化が進んで鉄残量が減っていくが、上記の（２）式に示す還元反応により、燃料発生部材１を再生することができ、２次電池型燃料電池部２０を充電することができる。

電力指示調整部６０が外部電力制御部１０に対して自然エネルギー発電設備１００から供給される電力の一部を合成部３０に供給させ残りを２次電池型燃料電池部２０に供給させる指示を与える場合、電力指示調整部６０がスイッチＳ１及びＳ２に対して接点ａを選択させる指示を与える。スイッチＳ１及びＳ２の接点ａは外部電力制御部１０に接続されており、スイッチＳ１及びＳ２が接点ａを選択することにより、燃料極２Ｂ−空気極２Ｃ間電圧が外部電力制御部１０の出力電圧Ｖ_OUT10となり、２次電池型燃料電池部２０が充電動作を行う。

燃料電池部２では、２次電池型燃料電池部２０の充電時に、上記の（５）式の逆反応である下記の（６）式に示す電気分解反応が起こり、燃料極２Ｂ側においてＨ₂Ｏが消費されＨ₂が生成され、燃料発生部材１では、上記の（２）式に示す還元反応が起こり、燃料電池部２の燃料極２Ｂ側で生成されたＨ₂が消費されＨ₂Ｏが生成される。
Ｈ₂Ｏ→Ｈ₂＋１／２Ｏ₂ …（６）

ここで、燃料電池部２の交流インピーダンス特性を図４に示す。図４に示す燃料電池部２の交流インピーダンス特性は、燃料電池部２に一定の基準電流（例えば正弦波電流）を周波数を掃引しながら印加することで求めることができる。実数部は燃料電池部２の実抵抗の大きさを示しており、虚数部はリアクタンスの大きさを示している。

図４の周波数帯域ＦＢ１は燃料ガスまたは電気分解の対象である酸化性ガスの拡散抵抗を示す周波数帯域であり、図４の周波数帯域ＦＢ２は発電反応または電気分解反応による活性化抵抗を示す周波数帯域であり、図４の周波数帯域ＦＢ３は燃料電池部２の電極−電解質間の直流抵抗を示す周波数帯域である。なお、周波数帯域ＦＢ１は１０ｍＨｚ〜数ｋＨｚの周波数帯域である。

もし電力指示調整部６０が、２次電池型燃料電池部２０が合成部３０に供給する電力および外部電力制御部１０から２次電池型燃料電池部２０に供給される電力を、図２（ｂ）に示すグラフＧ３のように高精度に変動させた場合、２次電池型燃料電池部２０が合成部３０に供給する電力の周波数および外部電力制御部１０から２次電池型燃料電池部２０に供給される電力の周波数が周波数帯域ＦＢ１に含まれて、燃料電池部２の損失電力が大きくなってしまうおそれがある。このような事態を避けるために、電力指示調整部６０は上述した通り図２（ｃ）に示すグラフＧ４のように所定の周波数（周波数帯域ＦＢ２に含まれる周波数）で変動する電力にするための指示を外部電力制御部１０および２次電池型燃料電池部２０に出している。

次に、フィルタ部４０の構成例を図５に示す。図５に示す構成例において、フィルタ部４０は、抵抗Ｒ１〜Ｒ４と、スイッチＳＷ１〜ＳＷ４と、コンデンサＣ１と、スイッチ切替部９とを備え、合成部３０から出力される電圧Ｖ_OUT30を平滑化して電力系統へ供給するローパスフィルタである。抵抗Ｒ１〜Ｒ４の各抵抗値は同一であってもよく、互いに異なる値であってもよい。スイッチ切替部９は、周波数判断部７０から出力される遮断周波数に関する情報に基づいてスイッチＳＷ１〜ＳＷのオン／オフを制御して、時定数を変更する。なお、図５に示す構成例はローパスフィルタであったが、自然エネルギー発電設備１００から出力される電力が低い周波数や高い周波数で変動しない場合などには、バンドパスフィルタを用いることも可能である。

本実施形態に係る給電システムは、自然エネルギー発電設備１００から２次電池型燃料電池システム２００に供給される電力の変動を、外部電力制御部１０と２次電池型燃料電池部２０と合成部３０とによって補償することができ、更に、外部電力制御部１０と２次電池型燃料電池部２０と合成部３０とによって十分に補償できなかった変動を時定数の変更が可能なフィルタ部４０によって平滑化する。このため、自然エネルギー発電設備１００から２次電池型燃料電池システム２００に供給される電力が不規則に変化する場合にも十分対応できる。

また、本実施形態に係る給電システムは、ナトリウム−硫黄電池を用いず２次電池型燃料電池部２０を用いるので、安全である。

また、本実施形態に係る給電システムは、外部電力制御部１０と２次電池型燃料電池部２０と合成部３０とによって十分に補償できなかった変動を時定数の変更が可能なフィルタ部２０によって平滑化するので、２次電池型燃料電池部２０が合成部３０に供給する電力および外部電力制御部１０から２次電池型燃料電池部２０に供給される電力を図２（ｂ）に示すグラフＧ３のように高精度に変動させる必要がなくなる。したがって、損失電力の大きい動作領域を回避して２次電池型燃料電池部２０を動作させることができ、高効率化を図ることができる。

＜第２実施形態＞
本発明の第２実施形態に係る給電システムの概略構成を図６に示す。

本発明の第１実施形態に係る給電システムの電力指示調整部６０は、所定の周波数（周波数帯域ＦＢ２に含まれる周波数）で変動する電力にするための指示を外部電力制御部１０および２次電池型燃料電池部２０に出すようにしており、合成部３０から出力される電力に低周波成分が残る場合にはフィルタ部４０の時定数を大きくすることで対応している。このため、フィルタ部４０の損失電力が大きくなり過ぎることがある。

そこで、本実施形態では、周波数判断部７０が、２次電池型燃料電池部２０が合成部３０に供給する電力の周波数および外部電力制御部１０から２次電池型燃料電池部２０に供給される電力の周波数を、フィルタ部４０の遮断周波数に対応させて設定し、その設定情報を電力指示調整部６０に送るようにするとともに、燃料電池部２の損失電力とフィルタ部４０の損失電力との合計（図７に示す破線参照）が最小となるフィルタ部４０の遮断周波数を判断し、その判断した遮断周波数に関する情報をフィルタ部４０に出力するようにしている。

２次電池型燃料電池部２０が合成部３０に供給する電力の周波数および外部電力制御部１０から２次電池型燃料電池部２０に供給される電力の周波数が高いときにはフィルタ部４０の遮断周波数を低くするという条件を満たす所定の対応関係、および、燃料電池部２の損失電力とフィルタ部４０の損失電力との合計の特性を、周波数判断部７０が内蔵メモリ（不図示）に記憶しておくようにすることで、上記の動作が可能になる。

本実施形態に係る給電システムは、本発明の第１実施形態に係る給電システムと同様の効果を奏するとともに、燃料電池部２の損失電力とフィルタ部４０の損失電力との合計を最小にするので本発明の第１実施形態に係る給電システムよりも高効率になる。

＜その他＞
上述した実施形態においては、燃料電池部２の電解質膜２Ａとして固体酸化物電解質を用いて、発電の際に燃料極２Ｂ側で水を発生させるようにする。この構成によれば、燃料発生部材１が設けられた側で水を発生するため、装置の簡素化や小型化に有利である。一方、特開２００９−９９４９１号公報に開示された燃料電池のように、燃料電池部２の電解質膜２Ａとして水素イオンを通す固体高分子電解質を用いることも可能である。但し、この場合には、発電の際に燃料電池部２の酸化剤極である酸化剤極２Ｃ側で水が発生されることになるため、この水を燃料発生部材１に伝搬する流路を設ければよい。また、上述した実施形態では、１つの燃料電池部２が発電も水の電気分解も行っているが、燃料電池（例えば発電専用の固体酸化物燃料電池）と水の電気分解器（例えば水の電気分解専用の固体酸化物燃料電池）が燃料発生部材１に対してガス流路上並列に接続される構成にしてもよい。

また、上述した実施形態では、燃料発生部材１と燃料電池部２とを別々の容器に収容したが、同一の容器に収容しても構わない。

また、上述した実施形態では、燃料電池部２の燃料ガスを水素にしているが、一酸化炭素や炭化水素など水素以外の還元性ガスを燃料電池部２の燃料ガスとして用いても構わない。

１燃料発生部材
２燃料電池部
２Ａ電解質膜
２Ｂ燃料極
２Ｃ酸化剤極
３、４ヒーター
５、６容器
７配管
８ポンプ
９スイッチ切替部
１０外部電力制御部
２０２次電池型燃料電池部
３０合成部
４０フィルタ部
５０差分部
６０電力指示調整部
７０周波数判断部
１００自然エネルギー発電設備
２００２次電池型燃料電池システム
Ｃ１抵抗
Ｒ１〜Ｒ４抵抗
Ｓ１、Ｓ２、ＳＷ１〜ＳＷ４スイッチ

Claims

化学反応によって燃料ガスを放出することができ、前記燃料ガスが生成される化学反応の逆反応によって再生可能な燃料発生部と、
前記燃料発生部から供給される前記燃料ガスを用いて発電を行う発電機能及び前記燃料発生部の再生時に前記燃料発生部から供給される前記逆反応の生成物を電気分解する電気分解機能を有する発電・電気分解部とを備え、
前記燃料発生部と前記発電・電気分解部との間で前記燃料ガスを含むガスを循環させる２次電池型燃料電池システムであって、
外部から供給される電力の変動を、前記発電・電気分解部の発電電力または前記発電・電気分解部の電気分解に必要な電力によって補償する電力補償部と、
時定数の変更が可能であり、前記電力補償部から出力される電力を平滑化するフィルタ部と、
前記外部から供給される電力の変動に基づいて前記フィルタ部の時定数を制御する時定数制御部とを備えることを特徴とする２次電池型燃料電池システム。
前記時定数制御部が、前記フィルタ部から出力される電力が所定の下限値を下回らず所定の上限値を上回らない条件下で前記フィルタ部の損失電力が最小となるように、前記フィルタ部の時定数を制御することを特徴とする請求項１に記載の２次電池型燃料電池システム。
前記発電・電気分解部の発電電力の周波数及び前記発電・電気分解部の電気分解に必要な電力の周波数を、前記フィルタ部の時定数に対応させて設定する周波数設定部を備え、
前記発電・電気分解部の損失電力と前記フィルタ部の損失電力との合計が最小となるように、前記時定数制御部が前記フィルタ部の時定数を制御し、前記周波数設定部が、前記発電・電気分解部の発電電力の周波数及び前記発電・電気分解部の電気分解に必要な電力の周波数を設定することを特徴とする請求項１に記載の２次電池型燃料電池システム。
請求項１〜３のいずれか一項に記載の２次電池型燃料電池システムと、
自然エネルギーを用いて発電を行うとともに、前記２次電池型燃料電池システムに電力を供給する発電設備とを備えたことを特徴とする給電システム。