JP2016141606A - 水素生成装置および燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】停電発生時に、補機類への電力供給に蓄電池の電力が消費され、外部の電気機器使用に割り当てられる電力が減少することを回避する。
【解決手段】水素生成装置１００は、炭化水素成分を含む原料を改質して水素含有ガスを生成する改質器１と、改質器１に原料を供給する原料供給器２と、系統電源３１の停電中に少なくとも水素生成装置１００に電力を供給する蓄電池３４と、停電発生を予測可能な停電発生情報に基づいて、停電発生前に起動を開始する制御器３０とを備えている。これにより、停電発生の際の、水素生成装置１００の起動による蓄電池３４の電力消費を減少させることができるため、蓄電池３４から外部の電気機器への電力供給量を増加させることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、都市ガスやＬＰＧ等の炭化水素系燃料を原料ガスとして、水素が含まれた生成ガスを作る水素生成装置に関するものである。また、この水素生成装置で作られた水素を利用して発電する燃料電池を備えた燃料電池システムに関するものである。

燃料電池の発電時の燃料として用いる水素含有ガスは、一般的なインフラガスとして整備されていない。このため、燃料電池システムは、通常、改質器を有する水素生成装置を備える。改質器では、一般的なインフラである都市ガス、天然ガス、あるいはＬＰガスから、水素含有ガスが改質反応（一般的には水蒸気改質反応）により生成される。

この水蒸気改質反応では、原料となる都市ガス等と水蒸気とをＮｉ系またはＲｕ系等の貴金属系の改質触媒を用いて、６００℃〜７００℃程度の高温で反応させることにより、水素を主成分とした水素含有ガスが生成される。また、改質器を水蒸気改質反応に必要な温度にするため、燃焼器で改質器を加熱している。

起動時は、水素生成装置を通流した原料ガスを燃焼器に戻して燃焼させ、燃料電池に水素含有ガスを供給している時は、燃料電池から排出される燃料オフガスを燃焼器で燃焼させる方法が一般的である。

また、改質器では副反応として一酸化炭素（ＣＯ）を生成するため、ＣＯが燃料電池を被毒して電圧を低下させる場合（固体高分子型燃料電池の場合）は、ＣＯ除去器を改質器の下流側に備える。ＣＯ除去器では、ＣＯと水蒸気を反応させＣＯを低減するＣＯ変成触媒と、ＣＯと微量に加えた酸素を反応させてＣＯを酸化除去する選択酸化触媒を備える。

ところで、水素生成装置および燃料電池システムでは、一般的に、連系する系統電源から電力を受けて、制御装置や補機を駆動し、燃焼器や電気ヒータなどで各部位を昇温することにより起動している。系統電源が遮断された、いわゆる停電状態のときには起動することが出来ないため、停電開始時に起動が終了していない場合は、停電時に水素や電気を利用することが出来ない。

なお、停電時に起動が終了していれば、すでに起動完了している水素生成装置から供給される水素を用いて燃料電池等で発生する電気により、停電時でも水素生成装置や燃料電池システムの運転を継続させることができる。停電時に水素生成装置や燃料電池システムを起動させるには、別途蓄電池を用いて、起動するために必要な補機類を動作させることが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１２−３８５５９号公報

しかしながら、特許文献１で提案されたものは、停電発生時に燃料電池システムが停止していても、燃料電池システムを起動し、燃料電池システムで発電した電力を、外部の電気機器で利用することができるが、燃料電池システム起動のため、ポンプなどの補機類への電力供給に蓄電池の電力が消費されるため、蓄電池から外部の電気機器への供給に割り
当てられる電力の量が少なくなり、停電発生後に、外部の電気機器で利用できる電力の量が少なくなるという課題を有していた。

上記従来の課題を解決するために本発明の水素生成装置は、系統電源の停電中に少なくとも水素生成装置に電力を供給する蓄電池と、停電発生を予測可能な停電発生情報に基づいて、停電発生前に水素生成装置の起動を開始する制御器とを備える。

これにより、停電発生前に水素生成装置の起動を開始して、できるだけ停電発生前の系統電源からの電力を用いて、水素生成装置の起動を行うことにより、停電発生の際に、水素生成装置の起動による蓄電池の電力消費を減少させることができるため、蓄電池から外部の電気機器への電力供給量を増加させることができる。

本発明の水素生成装置および燃料電池システムによれば、停電発生の際の、水素生成装置の起動による蓄電池の電力消費を減少させることができ、蓄電池から外部の電気機器への電力供給量を増加させることができる。

本発明の実施の形態における燃料電池システムの構成を示すブロック図 本発明の実施の形態における燃料電池システムの動作を示すフローチャート

第１の発明の水素生成装置は、炭化水素成分を含む原料を改質して水素含有ガスを生成する改質器と、改質器に原料を供給する原料供給器と、系統電源の停電中に少なくとも水素生成装置に電力を供給する蓄電池と、停電発生を予測可能な停電発生情報に基づいて、停電発生前に水素生成装置の起動を開始する制御器と、を備えている。

これにより、停電発生前に水素生成装置の起動を開始して、できるだけ停電発生前の系統電源からの電力を用いて、水素生成装置の起動を行うことにより、停電発生の際の、水素生成装置の起動による蓄電池の電力消費を減少させることができるため、蓄電池から外部の電気機器への電力供給量を増加させることができる。

第２の発明は、特に、第１の発明の水素生成装置における、停電発生情報を、計画停電の時刻情報とすることにより、事前に予定された計画停電の開始前に、水素生成装置の起動を開始して、できるだけ計画停電発生前の系統電源からの電力のみで水素生成装置の起動を完了させることができ、水素生成装置の起動による蓄電池の電力消費を減少させることができ、蓄電池から外部の電気機器への電力供給量を増加させることができる。

第３の発明は、特に、第１の発明または第２の発明の水素生成装置における制御器が、停電発生情報に基づいて、停電発生より前に起動を開始し、起動中に停電した場合には、蓄電池の電力を用いて水素生成装置の起動を継続することにより、水素生成装置の起動完了前に系統電源が停電した際に、蓄電池の電力によって原料供給器などの補機類を駆動して起動を継続し、水素生成を開始することで、停電中に水素を供給することができる。

第４の発明の燃料電池システムは、特に、第１の発明または第２の発明の水素生成装置と、その水素生成装置により生成された水素含有ガスと酸化剤ガスとを反応させて発電を行う燃料電池を備え、第１の発明または第２の発明における制御器が、停電発生情報に基づいて、停電発生より前に水素生成装置の起動を開始し、停電の開始時刻までに燃料電池の発電を開始する。

そのため、系統電源の停電開始後に、燃料電池システムの補機類駆動に蓄電池の電力を消費することなく、蓄電池の電力をすべて、外部の電気機器への電力供給に用いることができる。

第５の発明の燃料電池システムは、特に、第１の発明または第２の発明の水素生成装置と、その水素生成装置により生成された水素含有ガスと酸化剤ガスとを反応させて発電を行う燃料電池を備え、第１の発明または第２の発明における制御器が、停電発生情報に基づいて、停電発生より前に水素生成装置の起動を開始し、起動が完了した後、発電を開始する前に停電した場合には、蓄電池の電力を用いて燃料電池の発電を開始する。

そのため、燃料電池の発電が開始される前に、系統電源の停電が発生した場合にも、蓄電池の電力を用いて補機類を駆動し、燃料電池での発電を開始することができ、停電発生後に、燃料電池システムによって発電した電力を、外部へ供給できるようになる。

第６の発明の燃料電池システムは、特に、第１から第３の発明のいずれか１つの水素生成装置と、その水素生成装置により生成された水素含有ガスと酸化剤ガスとを反応させて発電を行う燃料電池を備えることにより、停電発生の前に燃料電池システムの起動を開始し、燃料電池システムの起動時の補機類駆動に用いられる、蓄電池の電力消費を減少させることができ、蓄電池から外部の電気機器への電力供給量を増加させることができる。

第７の発明の水素生成装置の運転方法は、炭化水素成分を含む原料を改質して水素含有ガスを生成する改質器と、改質器に原料を供給する原料供給器と、系統電源の停電中に少なくとも水素生成装置に電力を供給する蓄電池とを備えた水素生成装置の運転方法であって、停電発生を予測可能な停電発生情報に基づいて、停電発生前に起動を開始する。

この水素生成装置の運転方法により、停電発生の際の、水素生成装置の起動による蓄電池の電力消費を減少させることができ、蓄電池から外部の電気機器への電力供給量を増加させることができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、本実施の形態によって、本発明が限定されるものではない。

（実施の形態）
図１は、本発明の実施の形態における燃料電池システムの概略構成を示すブロック図である。図１に示すように、本実施の形態の燃料電池システム２００は、水素生成装置１００と、水素利用機器１５０とを備える。

また、水素生成装置１００は、改質器１と、原料供給器２と、改質水供給器３と、燃焼器４と、空気供給器５と、改質温度検知器７と、第一封止器８と、第一経路９と、第二封止器１０と、第二経路１１と、第三封止器１２と、第三経路１３と、ＣＯ除去器２０と、ＣＯ除去器加熱ヒータ２２と、制御器３０と、系統電源３１と、外部情報入力器３２と、蓄電池３４とを備える。

改質器１は、原料及び水蒸気を用いて、改質反応により水素含有ガスを生成する。原料は、本実施の形態では、都市ガスを用いた。都市ガスとは、ガス会社から配管を通じて各家庭等に供給されるＬＮＧガスである。なお、少なくとも炭素及び水素を構成元素とする有機化合物を含むものであれば、例えば、パイプラインで供給される天然ガス、ＬＰガスでもよい。

本実施の形態の改質反応は、原料と水蒸気を反応せせる水蒸気改質を用いた。なお、原料及び水蒸気から水素含有ガスが生成される反応であれば、いずれの改質反応でもよく、原料と水蒸気に加えて空気を追加で加えるオートサーマル反応や、原料と空気を反応させる部分酸化反応でもよい。改質器１で生成された水素含有ガスは、第一経路９を介して水素利用機器１５０に供給される。

また、水素利用機器１５０に水素含有ガスを供給しない場合には、第二経路１１を介して燃焼器４に水素含有ガスが供給される。また、水素利用機器１５０で利用されずに余った水素含有ガスは、第三経路１３を介して、燃焼器４に供給される。各経路には、第一封止器８、第二封止器１０、第三封止器１２を設けており、それらによりガスの供給先を切り替えることができる。

また、改質器１の内部には、改質触媒（図示せず）が搭載される。原料供給器２は、原料を改質器１に供給する。原料供給器２は、昇圧器である。なお、原料供給器２は、流量調整弁であっても良い。改質水供給器３は、改質水を改質器１に供給する。改質水供給器３は、改質水の流量を調整するポンプである。なお、改質水供給器３は、流量調整弁であっても良い。

燃焼器４は改質器１を加熱する。燃焼器４の燃料には、通常は改質器１より排出される水素含有ガスが用いられる。燃焼器４に供給される水素含有ガスは、水素利用機器１５０を経由し、水素利用機器１５０から排出されて燃焼器４に供給される。なお、改質器１から燃焼器４に直接水素含有ガスを供給してもよい。また、燃焼器４において、水素含有ガスに原料が追加して燃焼しても、水素含有ガスを供給せずに原料だけを供給してもよい。

空気供給器５は、燃焼器４に燃焼空気を供給するファンである。なお、空気供給器５には、ポンプを用いても良い。また制御器３０は、設定された目標値に基づいて水素生成装置１００の運転を制御する。

制御器３０は、演算処理部（図示せず）と、制御プログラムを記憶する記憶部（図示せず）とを備える。なお、制御器３０は、制御機能を有するものであれば、水素生成装置１００全体あるいは一部を制御可能などのような制御装置でもよい。また、演算処理部としては、ＭＰＵ、ＣＰＵが例示される。記憶部としては、メモリが例示される。

また、制御器３０は、単独の制御器でも複数の制御器でもよい。つまり、制御器３０のそれぞれが、集中制御を行う単独の制御器で構成されていてもよいし、互いに協働して分散制御を行う複数の制御器で構成されていてもよい。

水素利用機器１５０は、水素を利用して発電を行う、固体高分子型燃料電池である。なお、水素利用機器１５０は、固体酸化物型燃料電池などであっても良い。

系統電源３１は、商用の配電線網から一般家庭などへ供給される電源のことである。水素生成装置１００の起動時は、原料供給器２や改質水供給器３、ＣＯ除去器加熱ヒータ２２などの補機類を駆動させる電力を得るため、系統電源３１の電源を用いる。また、外部情報入力器３２は、停電発生が予測される停電発生情報を制御器３０に入力する。

以上の様に構成された本実施の形態の燃料電池システム２００および水素生成装置１００について、以下その動作、作用を説明する。なお、以下の動作は、制御器３０が燃料電池システム２００および水素生成装置１００を制御することによって行われる。

蓄電池３４は、リチウムイオン電池であり、停電などにより、系統電源３１からの電力
供給が停止した際に、制御器３０や、原料供給器２、改質水供給器３、ＣＯ除去器加熱ヒータ２２などの補機類を駆動させるために必要な電力を供給するほか、外部の電気機器へ電力を供給する非常電源として用いられる。

なお、蓄電池３４は、充放電可能な二次電池であれば何でもよく、リチウムイオン電池のほか、ニッケル水素電池や、鉛蓄電池等であってもよい。

水素生成装置１００が起動すると、燃焼器４における燃焼を開始する。このとき、第一封止器８を閉止しているが、第二経路１１から燃焼器４に至る燃焼用の燃料ガス経路がガス通気状態となっている。よって、原料供給器２の動作開始により原料が改質器１に供給されると、改質器１を通過した原料は、上記燃焼用の燃料ガス経路を用いて燃焼器４に供給される。

同時に、空気供給器５の動作開始により、燃焼用の空気が燃焼器４に供給される。燃焼器４において、点火電極（図示せず）により着火動作がおこなわれ、燃焼用の空気を用いて、原料の燃焼が起こる。このようにして、燃焼器４から供給される燃焼熱により、改質器１が加熱される。

次いで、改質水供給器３の動作開始により、改質器１に改質水が供給される。次に改質器１で生成された水素含有ガスの組成が水素利用機器１５０への供給に適した組成になった段階で、水素利用機器１５０に水素含有ガスが供給される。

なお、水素利用機器１５０への水素含有ガス供給は、起動開始から所定の時間経過後としても良いし、改質温度検知器７の温度が所定の値に到達したことを検知した後としても良い。

図２は本実施の形態における水素生成装置１００の動作を示すフローチャートである。本実施の形態では、図２のフローチャートに示すように、まず、外部情報入力器３２より、停電が発生する時刻である停電開始時刻Ｔａ（午前１０時）を制御器３０に入力する（Ｓ１０１）。

次に、起動開始時刻Ｔ１（午前８時３０分）を設定する（Ｓ１０３）。起動開始時刻Ｔ１は、停電開始時刻Ｔａより前の時間であればよく、必要に応じて余裕を見た早目の時間を設定してもよい。

以上のように、停電開始より前に水素生成装置１００の起動が開始されることにより、停電発生の際に、水素生成装置１００起動時の補機類の駆動のために生じる、蓄電池３４の電力消費を減少させることができ、蓄電池３４から外部の電気機器に供給可能な電力量を増加させることができる。

なお、停電発生情報は、電力会社から得られる計画停電（輪番停電、予告停電とも言う）の開始時刻である。なお、停電発生情報は、地震や雷や台風などの警報情報でも良く、この場合は完全に時刻を特定できない場合には、警報発生から停電が起こる確率が最も高くなる時刻をあらかじめ統計情報などを用いて決めておいて設定すればよい。

また、蓄電池３４は、水素生成装置１００の起動中に、系統電源３１からの電力供給が停止した場合に、すみやかに、水素生成装置１００起動時の補機類の駆動のための電力供給を開始し、水素生成装置１００の起動を継続することが好ましい。

なぜならば、蓄電池３４の電力を用いて水素生成装置１００の起動を継続することによ
り、系統電源３１からの電力供給が停止しても、水素生成装置１００の起動が中断されることなく、水素利用機器１５０への水素供給によって発電を開始し、停電開始後に、燃料電池システム２００から外部の電気機器への電力供給ができるためである。

なお、起動開始時刻Ｔ１は、停電開始時刻Ｔａから、水素生成装置１００の起動開始から、燃料電池１５０での発電開始までに必要な時間である、燃料電池システム２００の起動時間Ｔｇｓを差し引いた時刻より以前とし、停電開始時刻Ｔａまでに、燃料電池１５０での発電を開始することが好ましい。

なぜならば、停電開始時刻Ｔａまでに発電を開始することにより、停電発生後、発電開始までの補機類の駆動のために、蓄電池３４の電力を消費することなく、蓄電池３４の電力を全て、外部の電気機器へ供給することができるためである。

また、蓄電池３４は、水素生成装置１００の起動後、燃料電池１５０での発電開始前に系統電源３１からの電力供給が停止した場合に、すみやかに、燃料電池システム２００への電力供給を開始し、燃料電池システム２００の起動動作を継続することが好ましい。

なぜならば、蓄電池３４の電力を用いて、補機駆動を継続することにより、燃料電池１５０での発電を開始することができ、停電発生後に、燃料電池システム２００から外部の電気機器への電力供給ができるためである。

以上のように、本発明にかかる水素生成装置および燃料電池システムは、系統電源からの電力供給が無い場合に、蓄電池から外部への供給電力の量を多く確保できるため、停電時に電力供給を行いたい用途、例えば家庭用燃料電池コージェネレーションシステムの用途にも適用できる。

１ 改質器
２ 原料供給器
３ 改質水供給器
４ 燃焼器
５ 空気供給器
７ 改質温度検知器
８ 第一封止器
９ 第一経路
１０ 第二封止器
１１ 第二経路
１２ 第三封止器
１３ 第三経路
２０ ＣＯ除去器
２２ ＣＯ除去器加熱ヒータ
３０ 制御器
３１ 系統電源
３２ 外部情報入力器
３４ 蓄電池
１００ 水素生成装置
１５０ 水素利用機器（燃料電池）
２００ 燃料電池システム

Claims (7)

1. 炭化水素成分を含む原料を改質して水素含有ガスを生成する改質器と、
   前記改質器に前記原料を供給する原料供給器と、
   を備えた水素生成装置であって、
   系統電源の停電中に少なくとも前記水素生成装置に電力を供給する蓄電池と、
   停電発生を予測可能な停電発生情報に基づいて、停電発生前に前記水素生成装置の起動を開始する制御器と、
   を備えた水素生成装置。
2. 前記停電発生情報は、計画停電の時刻情報である請求項１記載の水素生成装置。
3. 前記制御器は、前記停電発生情報に基づいて、前記停電発生より前に起動を開始し、起動中に停電した場合には、前記蓄電池の電力を用いて前記水素生成装置の起動を継続する、請求項１又は２記載の水素生成装置。
4. 請求項１又は２に記載の水素生成装置と、
   前記水素生成装置により生成された水素含有ガスと酸化剤ガスとを反応させて発電を行う燃料電池と、
   を備え、
   前記制御器は、前記停電発生情報に基づいて、停電発生より前に前記水素生成装置の起動を開始し、停電の開始時刻までに前記燃料電池の発電を開始する、燃料電池システム。
5. 請求項１又は２に記載の水素生成装置と、
   前記水素生成装置により生成された水素含有ガスと酸化剤ガスとを反応させて発電を行う燃料電池と、
   前記制御器は、前記停電発生情報に基づいて、停電発生より前に前記水素生成装置の起動を開始し、起動が完了した後、発電を開始する前に停電した場合には、前記蓄電池の電力を用いて前記燃料電池の発電を開始する、燃料電池システム。
6. 請求項１〜３のいずれか１つに記載の水素生成装置と、
   前記水素生成装置により生成された水素含有ガスと酸化剤ガスとを反応させて発電を行う燃料電池と、
   を備えた燃料電池システム。
7. 炭化水素成分を含む原料を改質して水素含有ガスを生成する改質器と、
   前記改質器に前記原料を供給する原料供給器と、
   を備えた水素生成装置の運転方法であって、
   前記水素生成装置は、系統電源の停電中に少なくとも前記水素生成装置に電力を供給する蓄電池を備え、
   停電発生を予測可能な停電発生情報に基づいて、停電発生前に起動を開始する、
   水素生成装置の運転方法。

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