JP2015230813A - 燃料電池システムおよびその運転方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ベース電源および非常時の独立電源として使用可能な燃料電池システムを提供する。
【解決手段】燃料電池と、水または水蒸気を電気分解することにより水素を製造する水素発生装置と、製造された水素を貯蔵する水素貯蔵装置と、前記燃料電池の出力を負荷および前記水素発生装置に供給するパワーコンディショナーとを備えた燃料電池システムであって、前記燃料電池は、前記負荷へ供給する電力よりも大きい一定の出力で発電するように制御され、前記パワーコンディショナーは、前記燃料電池の出力から優先的に前記負荷へ電力を供給し、前記燃料電池の出力と前記負荷への供給電力との差分である余剰電力を前記水素発生装置に供給する。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池システムおよびその運転方法に関し、より詳細には、水素発生装置と水素貯蔵装置とを備え、負荷に供給する電力を制御する燃料電池システムおよびその運転方法に関する。

燃料電池は、燃料ガス（水素）と酸化剤ガス（空気）を用いて、水素の酸化に伴う水の生成ギブスエネルギーを電気エネルギーとして取り出す発電装置である。燃料電池は、燃料となる水素、都市ガス、ＬＰＧなどを供給し続ける限りにおいて、安定かつ高効率な電力供給が可能とされている。

燃料電池は発電素子であるセルの電解質種で分類されており、例えば、電解質にプロトン伝導性高分子膜を用いた固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）、酸素イオン導電性を有する固体酸化物を用いたセルを使用する固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）などがある。特にＳＯＦＣは、他の燃料電池と比べて高温で動作するため発電効率が高い。

燃料電池は、純水素の他に、都市ガス、ＬＰＧなどの炭化水素系燃料を改質したガスを燃料とすることもできる。都市ガスやＬＰＧは、インフラも発達しており、水素ガスと比べて燃料コストが安い。そのため、現在商用化されている燃料電池システムの多くは、改質器を内蔵し、都市ガス、ＬＰＧを燃料としている。

James Larminie, Andrew Dicks共著、槌屋治紀訳、「"解説 燃料電池システム」、第１版第２刷、平成１８年５月２７日、p.346-p.396.

燃料電池は、一定出力で発電する状況においては、改質ガスを用いても安定かつ高効率の発電を行うことができる。しかしながら、負荷変動に対して追随させる場合には、燃料の改質プロセスの遅れなどが起因して、発電効率を高く保つことが難しいという課題があった。

従って、改質ガスを用いて発電する燃料電池は、一定出力で発電するベース電源として用いる場合には問題ないが、非常時等の独立電源として用いるためには、高い発電効率を保ったまま、一定の負荷追随性を実現することが要求される。

本発明の目的は、ベース電源および非常時の独立電源として使用可能な高効率な発電装置を実現するための燃料電池システムおよびその運転方法を提供することにある。

本発明は、このような目的を達成するために、第１の実施態様は、燃料電池と、水または水蒸気を電気分解することにより水素を製造する水素発生装置と、製造された水素を貯蔵する水素貯蔵装置と、前記燃料電池の出力を負荷および前記水素発生装置に供給するパワーコンディショナーとを備えた燃料電池システムであって、前記燃料電池は、前記負荷へ供給する電力よりも大きい一定の出力で発電するように制御され、前記パワーコンディショナーは、前記燃料電池の出力から優先的に前記負荷へ電力を供給し、前記燃料電池の出力と前記負荷への供給電力との差分である余剰電力を前記水素発生装置に供給することを特徴とする。

第２の実施態様は、第１の燃料電池と、水または水蒸気を電気分解することにより水素を製造する水素発生装置と、製造された水素を貯蔵する水素貯蔵装置と、前記水素貯蔵装置に貯蔵された水素を燃料ガスとして使用する第２の燃料電池と、前記第１および第２の燃料電池の出力を負荷および前記水素発生装置に供給するパワーコンディショナーとを備えた燃料電池システムであって、前記第１の燃料電池は、前記負荷へ一定の出力で発電するように制御され、前記パワーコンディショナーは、前記第１の燃料電池の出力から優先的に前記負荷へ電力を供給し、前記第１の燃料電池の出力と前記負荷への供給電力との差分である余剰電力を前記水素発生装置に供給し、前記第２の燃料電池は、前記第１の燃料電池からの一定の出力以上の負荷がある場合に、前記負荷に追随するように制御されることを特徴とする。

本発明によれば、燃料電池の出力を一定に保ち運転するため、高い発電効率を維持することができるとともに、燃料電池と負荷変動との間の余剰電力は、水素発生装置を用いて水素ガスへ変換するため、高い負荷追随性も発揮することができる。

本発明の第１の実施形態にかかる燃料電池システムを示す構成図である。 第１の実施形態の燃料電池システムの運転方法を説明するための図である。 燃料電池システムの運転方法の他の実施例を示す図である。 本発明の第２の実施形態にかかる燃料電池システムを示す構成図である。 第２の実施形態の燃料電池システムの運転方法を説明するための図である。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明する。

（第１の実施形態）
図１に、本発明の第１の実施形態にかかる燃料電池システムを示す。燃料電池システム１０は、少なくとも１つ以上の燃料電池１１と、燃料電池１１の電力を負荷１５および水素発生装置１３に供給するパワーコンディショナー１２と、燃料電池１１からの出力と負荷１５との差分である余剰電力を用いて、水もしくは水蒸気を電気分解することにより水素を製造する水素発生装置１３と、製造された水素を貯蔵するための水素貯蔵装置１４とから構成されている。

燃料電池１１は、どのような種類の電池であっても構わないが、動作温度が高く、他の燃料電池と比べて発電効率の高い固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）であることが好ましい。

パワーコンディショナー１２は、負荷１５に優先的に電力を供給しながら、燃料電池１１が一定出力の発電を継続できるように、燃料電池１１の出力と負荷１５との差分である余剰電力を水素発生装置１３に送ることができるように構成される。

水素発生装置１３は、電力を用いて水または水蒸気を電気分解して水素を製造する装置であって、電気分解の方法や原理、機器構成などを特に限定はしない。ただし、電解効率の観点から、固体高分子電解セル、固体酸化物形電解セルを用いた水素発生装置であることが好ましい。

本実施形態では、改質ガスを用いて発電する燃料電池を例に説明するが、負荷変動に対する追従性に優れた水素ガスを燃料とする燃料電池と組合せても良い。この場合には、より柔軟で信頼性の高い独立電源を実現することが可能である。

図２を参照して、第１の実施形態の燃料電池システムの運転方法を説明する。燃料電池システム１０において、パワーコンディショナー１２は、燃料電池１１が一定電力Ｐ_０で発電するように運転する。このとき燃料電池１１の出力は、変動する負荷の消費電力よりも大きく設定する。例えば、日々の負荷変動を記録したデータから、その日の負荷に供給する電力を決定し、負荷へ供給する電力よりも大きい一定の出力を燃料電池１１の出力とし、燃料電池システム１０を運転する。

パワーコンディショナー１２は、燃料電池１１の電力を負荷１５に優先的に供給しながら、燃料電池１１が一定出力の発電を継続できるように燃料電池１１の出力と負荷１５との差分である余剰電力分を水素発生装置１３に供給するように運転する。水素発生装置１３は、燃料電池１１からの出力と負荷１５との差分である余剰電力を用いて、水または水蒸気を電気分解することにより水素を製造する。水素発生装置１３によって製造された水素は、水素貯蔵装置１４に貯蔵され、適宜、燃料電池１１の燃料ガスとして使用される。

このようにして、水素発生装置１３を用いて余剰電力を水素ガスへ変換することにより、燃料電池１１の出力を一定に保つことができ、高い発電効率を維持することができる。また、燃料電池１１の出力は、変動する負荷よりも大きく設定し、燃料電池と負荷変動との間の余剰電力を、水素発生装置を用いて水素ガスへ変換するため、負荷に対する追随性を向上させることが可能である。従って、一定出力で発電するベース電源として用いることができるとともに、非常時の独立電源としても使用可能な高効率な発電装置を構成することができる。

さらに、水素発生装置１３が余剰電力を水素ガスへ変換し、水素貯蔵装置１４に貯蔵することにより、燃料電池１１の燃料ガスとして適宜使用することができる。これによって、燃料電池１１に使用する燃料ガスの削減、ＣＯ_２削減が可能になる。

図３に、燃料電池システムの運転方法の他の実施例を示す。例えば、日々の負荷変動の幅が非常に大きい場合には、改質ガスで発電させる燃料電池１１の一定出力電力値をＰ_０とＰ_１の２段階に変化させて運転しても良い。負荷が大きくなる時間帯が分かっている場合には、それに合わせて燃料電池１１の出力電力値を変化させると、余剰電力が小さくできる。

（第２の実施形態）
図４に、本発明の第２の実施形態にかかる燃料電池システムを示す。燃料電池システム２０は、改質ガスを用いて発電する燃料電池２１ａと、水素ガスを用いて発電する燃料電池２１ｂとを備える。燃料電池システム２０は、さらに、燃料電池２１ａ，２１ｂの電力を負荷２５および水素発生装置２３に供給するパワーコンディショナー２２と、余剰電力を水素ガスへ変換する水素発生装置２３と、製造された水素を貯蔵するための水素貯蔵装置２４とを含む。

パワーコンディショナー２２は、負荷２５に優先的に電力を供給しながら、燃料電池２１ａが一定出力の発電を継続できるように、燃料電池２１ａの発電量を制御する。さらに、パワーコンディショナー２２は、燃料電池２１ｂの発電量を制御できるように構成される。

第２の実施形態においても、余剰電力を水素ガスへ変換し、貯蔵しておくことにより、燃料電池の燃料ガスとして適宜使用する。第２の実施形態では、水素ガスを用いて発電する燃料電池２１ｂを備え、燃料電池２１ｂの運転により、変動する負荷に対して追随させる。また、水素貯蔵装置２４の貯蔵量が、日々の発電に十分な水素量を貯蔵することができれば、水素ガスのみの発電により、負荷２５に供給することも可能である。

図５を参照して、第２の実施形態の燃料電池システムの運転方法を説明する。燃料電池システム２０は、燃料電池２１が一定電力Ｐ_２で発電するように運転する。このとき燃料電池２１ａの出力は、変動する負荷の平均値付近に設定する。この状態では、パワーコンディショナー２２は、燃料電池２１ａの電力を負荷２５に優先的に供給しながら、燃料電池２１ａが一定出力の発電を継続できるように、燃料電池２１ａの出力と負荷２５との差分である余剰電力分を水素発生装置２３に供給するように運転する。一定出力であるので、改質反応の遅れに起因する効率低下がないため、高効率で発電させることができる。

燃料電池２１ａが出力する一定出力以上の負荷がある場合には、パワーコンディショナー２２は、燃料電池２１ｂを用いて発電させ、負荷２５に追随させる。燃料電池２１ｂにあっては、水素ガスを燃料ガスとするので、改質反応の遅れに起因する効率低下はない。従って、比較的高い効率を維持したまま追随することが可能である。

１０，２０ 燃料電池システム
１１，２１ 燃料電池
１２，２２ パワーコンディショナー
１３，２３ 水素発生装置
１４，２４ 水素貯蔵装置
１５，２５ 負荷

Claims (6)

1. 燃料電池と、水または水蒸気を電気分解することにより水素を製造する水素発生装置と、製造された水素を貯蔵する水素貯蔵装置と、前記燃料電池の出力を負荷および前記水素発生装置に供給するパワーコンディショナーとを備えた燃料電池システムであって、
   前記燃料電池は、前記負荷へ供給する電力よりも大きい一定の出力で発電するように制御され、
   前記パワーコンディショナーは、前記燃料電池の出力から優先的に前記負荷へ電力を供給し、前記燃料電池の出力と前記負荷への供給電力との差分である余剰電力を前記水素発生装置に供給することを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記燃料電池は、前記水素貯蔵装置に貯蔵された水素を、燃料ガスとして使用することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 第１の燃料電池と、水または水蒸気を電気分解することにより水素を製造する水素発生装置と、製造された水素を貯蔵する水素貯蔵装置と、前記水素貯蔵装置に貯蔵された水素を燃料ガスとして使用する第２の燃料電池と、前記第１および第２の燃料電池の出力を負荷および前記水素発生装置に供給するパワーコンディショナーとを備えた燃料電池システムであって、
   前記第１の燃料電池は、前記負荷へ一定の出力で発電するように制御され、
   前記パワーコンディショナーは、前記第１の燃料電池の出力から優先的に前記負荷へ電力を供給し、前記第１の燃料電池の出力と前記負荷への供給電力との差分である余剰電力を前記水素発生装置に供給し、
   前記第２の燃料電池は、前記第１の燃料電池からの一定の出力以上の負荷がある場合に、前記負荷に追随するように制御されることを特徴とする燃料電池システム。
4. 燃料電池と、水または水蒸気を電気分解することにより水素を製造する水素発生装置と、製造された水素を貯蔵する水素貯蔵装置と、前記燃料電池の出力を負荷および前記水素発生装置に供給するパワーコンディショナーとを備えた燃料電池システムの運転方法であって、前記パワーコンディショナーは、
   前記負荷へ供給する電力よりも大きい一定の出力で、前記燃料電池が発電するように制御し、
   前記燃料電池の出力から優先的に前記負荷へ電力を供給し、
   前記燃料電池の出力と前記負荷への供給電力との差分である余剰電力を前記水素発生装置に供給することを特徴とする燃料電池システムの運転方法。
5. 前記燃料電池は、前記水素貯蔵装置に貯蔵された水素を、燃料ガスとして使用することを特徴とする請求項４に記載の燃料電池システムの運転方法。
6. 第１の燃料電池と、水または水蒸気を電気分解することにより水素を製造する水素発生装置と、製造された水素を貯蔵する水素貯蔵装置と、前記水素貯蔵装置に貯蔵された水素を燃料ガスとして使用する第２の燃料電池と、前記第１および第２の燃料電池の出力を負荷および前記水素発生装置に供給するパワーコンディショナーとを備えた燃料電池システムの運転方法であって、前記パワーコンディショナーは、
   前記第１の燃料電池が前記負荷へ一定の出力で発電するように制御し、
   前記第１の燃料電池の出力から優先的に前記負荷へ電力を供給し、
   前記第１の燃料電池の出力と前記負荷への供給電力との差分である余剰電力を前記水素発生装置に供給し、
   前記第１の燃料電池からの一定の出力以上の負荷がある場合に、前記第２の燃料電池が前記負荷に追随するように制御することを特徴とする燃料電池システムの運転方法。

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