JP4781656B2 - 燃料電池システムおよび集合住宅 - Google Patents

Description

本発明は、共用機器を有する集合住宅に電力を供給する燃料電池システムに関する。

燃料電池を用いた分散型電源においては、燃料改質型の燃料電池システムが知られている。燃料改質型の燃料電池システムは、灯油、都市ガス、プロパンガス等を改質して水素を生成する改質器を備え、改質器が生成する水素を燃料電池に供給する（例えば、特許文献１参照。）。改質器の改質効率は、定格に近い出力領域ほど高い（例えば、非特許文献１参照。）。従って、改質器で水素を効率よく製造するには、改質器を一定以上の出力で運転させることが望ましい。
特開２００１−１８５１８２号公報 「家庭用燃料電池向け燃料処理器の開発」、東京ガス株式会社広報部発表データ、２００３年１月３０日、インターネット＜ＵＲＬ：ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｔｏｋｙｏ−ｇａｓ．ｃｏ．ｊｐ／Ｐｒｅｓｓ／２００３０１３０．ｈｔｍｌ＞

しかしながら、電力の消費量は一日の中で大きく変動する。従って、改質器を一定以上の出力で連続運転させると、電力需要が低い時間帯において余剰水素が発生してしまう。この余剰水素を一時的に貯蔵するために水素貯蔵手段を設けることが考えられるが、余剰水素をもれなく貯蔵するだけの容量をもつ水素貯蔵手段を準備することは困難であるという課題があった。

上記課題を解決するために、本発明の第１の形態においては、共用機器を有する集合住宅に電力を供給する燃料電池システムであって、一つ又は複数の住戸毎に設置される複数の専用燃料電池と、予め定められる基準値以上の出力で動作し、複数の専用燃料電池で消費される水素を集中的に製造する改質器と、水素を貯蔵する水素貯蔵部と、共用機器を動作させる電力を発生する共用燃料電池と、改質器が製造した水素を専用燃料電池に供給し、専用燃料電池で消費されない余剰水素を水素貯蔵部に供給し、水素貯蔵部の容量を超える余剰水素を共用燃料電池に供給する水素供給制御部と、水素供給制御部が共用燃料電池に供給する余剰水素で共用燃料電池を発電させ共用機器を動作させる共用機器制御部とを備える燃料電池システムが提供される。これにより、改質器による水素の製造効率が高まると共に、余剰水素を有効に利用できる。

水素供給制御部は、複数の専用燃料電池及び共用燃料電池による単位時間あたりの水素需要が改質器による水素製造量を超える場合に、水素貯蔵部が貯蔵する水素を複数の専用燃料電池及び共用燃料電池に供給してもよい。これにより、専用燃料電池及び共用燃料電池に確実に水素を供給できる。

本発明の第２の形態によれば、共用機器を有する集合住宅に電力を供給する燃料電池システムであって、一つ又は複数の住戸毎に設置される複数の専用燃料電池と、予め定められる基準値以上の出力で動作し、複数の専用燃料電池で消費される水素を集中的に製造する改質器と、冷却されることにより水素を吸蔵し、加熱されることにより水素を放出する水素貯蔵部と、共用機器を動作させる電力を発生する共用燃料電池と、改質器が製造した水素を複数の専用燃料電池に供給し、専用燃料電池で消費されない余剰水素を水素貯蔵部に供給し、水素貯蔵部の容量を超える余剰水素を共用燃料電池に供給する水素供給制御部と、共用燃料電池及び水素貯蔵部の直近に配され、共用燃料電池から吸収した熱で水素貯蔵部を加熱する温水用配管と、共用燃料電池及び水素貯蔵部の直近に配され、共用燃料電池に供給する冷却水の少なくとも一部で水素貯蔵部を冷却する冷水用配管と、水素供給制御部が共用燃料電池に供給する余剰水素で共用燃料電池を発電させ共用機器を動作させる共用機器制御部とを備える燃料電池システムが提供される。これにより、改質器による水素の製造効率が高まると共に、余剰水素を有効に利用できる。同時に、共用燃料電池の冷却水と排熱を利用して水素貯蔵部を機能させるので省エネルギー性に優れている。

冷水用配管及び温水用配管の水の流れをそれぞれ制御することにより、水素貯蔵部の直近に冷却水及び温水のいずれを供給するかを切り替える水供給切替部を更に備えてもよい。これにより、水素貯蔵部に水素を吸蔵させるか放出させるかを容易に切り替えることができる。

共用機器制御部は、共用機器に動作の余裕があり、かつ共用燃料電池の出力に余裕があることを条件に、水素供給制御部に対して、共用燃料電池への余剰水素の供給を要求してもよい。これにより、余剰水素を共用燃料電池に適切に供給できる。

なお、上記の発明の概要は、本発明の必要な特徴の全てを列挙したものではなく、これらの特徴群のサブコンビネーションもまた、発明となりうる。

以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は特許請求の範囲にかかる発明を限定するものではなく、また実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。

本実施形態の燃料電池システムは、共用機器を有する集合住宅に電力を供給する。そして、改質器で製造される水素が水素貯蔵部の貯蔵能力を超える場合に、集合住宅の共用機器を動作させる共用燃料電池、又は各戸の専用燃料電池のうち出力に余裕のあるものに余剰水素を供給するという特徴を有する。
図１は、燃料電池システム１００の第1の実施例を示す。燃料電池システム１００は、集中型改質器１０、水素供給管１２、水素供給制御部２０、専用燃料電池６０、共用燃料電池４４、水素タンク３０、共用機器４０、及び共用機器制御部４２を備える。専用燃料電池６０は、一つ又は複数の住戸毎に一つずつ設置される。集中型改質器１０は、予め定められる基準値以上の出力で動作し、共用燃料電池４４及び複数の専用燃料電池６０で消費される水素を集中的に製造する。水素貯蔵部の一例である水素タンク３０は、集中型改質器１０により生成された水素を加圧蓄積する。共用燃料電池４４は、共用機器４０を動作させる電力を発生する。共用機器４０は、例えば集合住宅の共用部における照明、空調機器、エレベータ、及びポンプなどである。共用燃料電池４４が発電した電力は、予め設定された共用機器４０の優先度に応じて各共用機器４０に供給される。

水素供給制御部２０は、集中型改質器１０が製造した水素を水素供給管１２を介して専用燃料電池６０に供給する。また、専用燃料電池６０及び共用燃料電池４４で消費されない余剰水素を水素タンク３０に供給する。さらに水素供給制御部２０は、水素タンク３０の容量を超える余剰水素が発生する場合に、一定の条件の下で当該余剰水素を共用燃料電池４４、又は出力に余裕のある専用燃料電池６０に供給する。共用機器制御部４２は、水素供給制御部２０が共用燃料電池４４に供給する余剰水素で共用燃料電池４４、又は出力に余裕のある専用燃料電池６０を発電させ、余剰水素による発電量相当分の電力を共用機器４０に供給して共用機器４０を動作させる。専用燃料電池６０及び共用燃料電池４４は、例えば固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）である。以上の構成によれば、燃料電池システム１００は、集中型改質器１０において効率的に水素を製造すると共に、水素タンク３０に貯蔵できない余剰水素を共用燃料電池４４で有効に消費できる。

水素供給制御部２０は、集中型改質器１０で生成される水素の量が、複数の専用燃料電池６０及び共用燃料電池４４が消費する水素の総量よりも多い場合に、余剰水素を水素タンク３０へ貯蔵する。一方、共用燃料電池４４及び複数の専用燃料電池６０による単位時間あたりの水素需要が集中型改質器１０による水素製造量を超える場合に、水素タンク３０に貯蔵した水素を放出させて共用燃料電池４４及び複数の専用燃料電池６０へ供給する。したがって、本実施例の集中型改質器１０は、時間あたりの最大の水素生成量が、専用燃料電池６０が消費する時間あたりの最大の水素消費量の合計量より小さくても、専用燃料電池６０及び共用燃料電池４４に確実に水素を供給できる。これにより、集中型改質器１０を小型にすることができる。

図２は、燃料電池システム１００の第２の実施例を示す。以下、図１に示した第１の実施例と異なる構成のみを説明する。第１実施例と同様の構成には同一の符号を付して説明を省略する。本実施例の燃料電池システム１００は、第１実施例の水素タンク３０に代えて、水素吸蔵合金７０、冷水用配管５２、温水用配管５４、及び水供給切替部８２を備える。水素吸蔵合金７０は、水素貯蔵部の一例である。水素吸蔵合金７０は、例えば、Ｔｉ−Ｃｒ−Ｖ系合金よりなる。水素吸蔵合金７０は、水素を選択的に吸着するので、水素の純度を高めることができる。また、水素吸蔵合金７０は、冷却することにより水素を吸蔵し、加熱することにより吸蔵した水素を放出する。

温水用配管５４は、共用燃料電池４４及び水素吸蔵合金７０の直近に配され、共用燃料電池４４から吸収した熱で水素吸蔵合金７０を加熱する。冷水用配管５２は、共用燃料電池４４及び水素吸蔵合金７０の直近に配され、共用燃料電池４４に供給する冷却水の少なくとも一部で水素吸蔵合金７０を冷却する。水供給切替部８２は、冷水用配管５２及び温水用配管５４の水の流れをそれぞれ制御することにより、水素吸蔵合金７０の直近に冷却水及び温水のいずれを供給するかを切り替える。これにより、水素吸蔵合金７０に水素を吸蔵させるか放出させるかを容易に切り替えることができる。

本実施例の燃料電池システム１００は、第１実施例と同様に集中型改質器１０において効率的に水素を製造し、水素吸蔵合金７０に貯蔵できない余剰水素を共用燃料電池４４、又は出力に余裕のある専用燃料電池６０に供給する。これにより余剰水素を有効に活用して共用機器４０を動作させる電力を発電させことができる。さらに、共用燃料電池４４の冷却水と排熱を利用して水素吸蔵合金７０を機能させるので優れた省エネルギー性が実現できる。

なお、温水用配管５４は、専用燃料電池６０の直近まで更に配管されていてもよい。同様に冷水用配管５２は、専用燃料電池６０の直近まで更に配管されていてもよい。これにより、専用燃料電池６０の冷却水と排熱を利用して水素吸蔵合金７０を機能させることができる。専用燃料電池６０は共用燃料電池４４よりも稼働率が高いのでので、冷却水と排熱の入手が容易である。従って、水素吸蔵合金７０を所望のタイミングで稼動させることができる。

図３は、集中型改質器１０における、出力と効率との関係の一例を示す。横軸は集中型改質器１０における定格に対する出力の割合であり、縦軸は改質効率である。一般に、集中型改質器１０の効率は、集中型改質器１０の出力に依存する。したがって、効率の下限となる基準効率を定めると、集中型改質器１０の効率を基準効率以上とするための、集中型改質器１０の出力の下限が定まる。本実施例の集中型改質器１０は、例えば６０％以上の出力で連続的に運転する。集中型改質器１０は、時間あたりの最大の水素生成量が、複数の専用燃料電池６０及び共用燃料電池４４が消費する時間あたりの最大の水素消費量の合計量よりも小さい。従って、定格に近い出力領域で集中型改質器１０を駆動し、高い効率で水素を製造することができる。

図４は、共用燃料電池４４と複数の専用燃料電池６０による単位時間あたりの水素の消費量の合計と、集中型改質器１０による水素生成量の変動の例を示す。横軸は時刻であり、縦軸は燃料電池による単位時間あたりの水素消費量の合計と、集中型改質器１０による水素生成量である。共用燃料電池４４と複数の専用燃料電池６０による単位時間あたりの水素の消費量の合計は、各住戸及び共用部分での電力使用量に応じて変動する。一方、水素供給制御部２０は、集中型改質器１０が生成する時間あたりの水素の量を定格の約６０％から１００％の間で制御する。水素供給制御部２０は、集中型改質器１０の出力を、定格の６０％から１００％の間で共用燃料電池４４及び専用燃料電池６０による水素消費の変化に追従させる。これにより、余剰水素の発生を抑制することができる。

水素供給制御部２０は、集中型改質器１０を一日中連続運転させる。一般に、集中型改質器１０は、起動時に暖機運転させて集中型改質器１０を昇温させる必要がある。したがって、一旦集中型改質器１０を停止させると、起動時に暖機運転に要するエネルギーが無駄になる。また、集中型改質器１０の起動と停止を繰り返すと、集中型改質器１０の温度サイクルによって集中型改質器１０が劣化する。また、暖機運転には数十分の時間を要し、その期間には、集中型改質器１０は専用燃料電池６０に供給する水素を生成できない。

しかしながら、本実施形態の燃料電池システム１００によれば、水素供給制御部２０が、集中型改質器１０を連続運転させるので、集中型改質器１０の起動に要するエネルギーの消費を削減することができる。また、起動と停止を繰り返すことによる集中型改質器１０の劣化を抑えることができる。また、集中型改質器１０を継続的に運転させることで、専用燃料電池６０及び共用燃料電池４４が水素を必要とするときに迅速に水素を供給できる。

時刻ｔ０から時刻ｔ１の時間帯および時刻ｔ４から時刻ｔ５の時間帯は、集中型改質器１０が生成する単位時間あたりの水素の量が、専用燃料電池６０及び共用燃料電池４４が消費する単位時間あたりの水素の合計量を上回る。これらの時間帯では、水素供給制御部２０は、余剰水素を第１実施例の水素タンク３０又は第２実施例の水素吸蔵合金７０に貯蔵する。

また、時刻ｔ２から時刻ｔ３の時間帯では、専用燃料電池６０及び共用燃料電池４４が単位時間あたりに消費する水素の合計量が、集中型改質器１０が単位時間あたりに生成する水素の量を上回る。これらの時間帯では、水素供給制御部２０は、水素タンク３０又は水素吸蔵合金７０に貯蔵している水素を放出させ、複数の専用燃料電池６０及び共用燃料電池４４に不足する水素を供給する。

図５は、共用機器４０の負荷変動を示す図である。本実施形態における共用機器４０の負荷変動は、機器側の電力需要に応じて変動する負荷と、水素貯蔵部の容量を超える余剰水素の発生に応じて変動する負荷とを含む。電力需要に応じて変化する負荷は、例えば時間又は明るさに応じて変化する照明機器の負荷変動３００と、共用部の温度又は湿度に応じて変化する空調機器の負荷変動３０２と、住人の乗り降りに応じて変化するエレベータの負荷変動３０４とを含む。水素貯蔵部の容量を超える余剰水素の発生に応じて変動する負荷とは、水素貯蔵部の容量を超える余剰水素が共用燃料電池４４、又は出力に余裕のある専用燃料電池６０に供給される場合に、当該余剰水素で共用燃料電池４４、又は専用燃料電池６０を発電させて共用機器４０を動作させるときの負荷変動である。この場合、共用機器制御部４２は、共用機器４０に動作の余裕があり、かつ共用燃料電池４４、又は専用燃料電池６０の出力に余裕があることを条件に、水素供給制御部２０に対して、共用燃料電池４４、又は専用燃料電池６０への余剰水素の供給を要求する。電力供給量に応じて変動する負荷は不定期なので、いつ稼働させてもよい共用機器に供給する。そのような共用機器は、例えば集合住宅における屋上の貯水槽に水を汲み上げる汲み上げポンプである。図５の負荷変動３０６は、汲み上げポンプを動作させるときの負荷変動を示す。共用機器４０に動作の余裕がある状態とは、例えば貯水槽の空き容量及びポンプの出力に余裕がある状態である。

図６は、燃料電池システム１００における水素の供給プロセスを示す。本実施例では、複数の専用燃料電池６０及び共用燃料電池４４による単位時間あたりの水素需要が集中型改質器１０による水素製造量と一致している場合における水素供給管１２の管内の圧力を基準圧力として測定しておく。水素供給管１２の管内の圧力が基準圧力を超える場合、集中型改質器１０による水素製造量が専用燃料電池６０及び共用燃料電池４４による水素需要を超えていることを示す。一方、水素供給管１２の管内の圧力が基準圧力を下回る場合、集中型改質器１０による水素製造量が専用燃料電池６０及び共用燃料電池４４による水素需要に対して不足していることを示す。

水素供給制御部２０は、水素供給管１２の管内の圧力が基準圧力を超えているか否かを連続的に測定する（Ｓ１００）。管内の圧力が基準圧力を超える場合（Ｓ１００：Ｙｅｓ）、余剰水素の処理フロー（Ｓ１０２）に移行する。一方、管内の圧力が基準圧力未満である場合（Ｓ１００：Ｎｏ）、水素タンク３０又は水素吸蔵合金７０に水素を放出させ（Ｓ１０４）、複数の専用燃料電池６０及び共用燃料電池４４に供給する。以上で本フローは終了する。

図７は、図６における余剰水素の処理フロー（Ｓ１０２）の詳細を示す。まず、水素供給制御部２０は、集中型改質器１０の出力を、出力下限の一例である６０％まで低下させても余剰水素が発生するか否かを判断する（Ｓ２００）。集中型改質器１０の出力下限とは、集中型改質器１０の改質効率を所定の効率以上に維持するために必要な集中型改質器１０の出力である。余剰水素の発止の有無は、水素供給管１２の管内の圧力を基準圧力と比較することにより判断する。集中型改質器１０の出力を出力下限まで低下させることによって余剰水素の発生がなくなる場合（Ｓ２００：Ｎｏ）、水素供給管１２の管内の圧力が基準圧力になるまで集中型改質器１０の出力を低下させて本フローを終了する。一方、集中型改質器１０の出力を６０％まで低下させても余剰水素が発生する場合（Ｓ２００：Ｙｅｓ）、次に、水素タンク３０又は水素吸蔵合金７０の容量に一定の余裕があるか否かを判断する（Ｓ２０２）。一定の余裕とは、最大貯蔵量の１０％程度の余裕などである。

水素貯蔵部の容量に余裕が有る場合（Ｓ２０２：Ｙｅｓ）、水素供給制御部２０は水素貯蔵部に余剰水素を貯蔵する（Ｓ２０３）。一方、水素貯蔵部の容量に余裕が無い場合（Ｓ２０２：Ｎｏ）、水素供給制御部２０は、共用機器４０の動作に余裕があるか否かを判断する（Ｓ２０４）。共用機器４０の動作に余裕がある状態とは、例えば貯水槽の空き容量及びポンプの出力に余裕がある状態である。共用機器４０の動作に余裕が無い場合（Ｓ２０４：Ｎｏ）、水素供給制御部２０は、余剰水素を集中型改質器１０で燃焼させる（Ｓ２０５）。一方、共用機器４０の動作に余裕がある場合（Ｓ２０４：Ｙｅｓ）、水素供給制御部２０は、共用燃料電池４４又は専用燃料電池６０の出力に余裕があるか否かを判断する（Ｓ２０６）。共用燃料電池４４又は専用燃料電池６０の出力に余裕がある状態とは、共用燃料電池４４又は専用燃料電池６０の出力が例えば定格の約８０％以下である状態を示す。共用燃料電池４４又は専用燃料電池６０の出力に余裕がない場合（Ｓ２０６：Ｎｏ）、ステップ２０５に進む。

一方、共用燃料電池４４又は専用燃料電池６０の出力に余裕がある場合（Ｓ２０６：Ｙｅｓ）、共用機器制御部４２は、水素供給制御部２０に対して、共用燃料電池４４又は専用燃料電池６０への余剰水素の供給を要求する。水素供給制御部２０は、共用機器制御部４２からの要求に応じて、共用燃料電池４４又は専用燃料電池６０に余剰水素を供給する（Ｓ２０８）。共用燃料電池４４又は専用燃料電池６０は、供給された余剰水素を消費して発電し（Ｓ２１０）、任意のタイミングで稼動させることができるポンプ等の共用機器に電力を供給する（Ｓ２１２）。以上で本フローは終了する。以上のフローによれば、燃料電池システム１００は、まず集中型改質器１０の改質効率を一定の基準以上に保つ範囲で余剰水素の発生を抑える。そして発生が避けられない余剰水素を、任意のタイミングで稼動可能な共用機器の電力を発電する共用燃料電池４４又は専用燃料電池６０に供給する。

以上の説明から明らかなように、本実施形態の燃料電池システム１００によれば、集中型改質器１０の改質効率の向上と、水素貯蔵部の小型化と、改質水素の有効利用とを同時に満足することができる。

以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更または改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。その様な変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。

燃料電池システム１００の第1の実施例を示すブロック図である。 燃料電池システム１００の第２の実施例を示すブロック図である。 集中型改質器１０における、出力と効率との関係の一例を示す。 燃料電池による単位時間あたりの水素の消費量の合計と、集中型改質器１０による水素の生成量の変動の例を示す。 共用機器４０の負荷変動を示す図である。 燃料電池システム１００における水素の供給プロセスを示すフローチャートである。 図６における余剰水素の処理フロー（Ｓ１０２）の詳細を示すフローチャートである。

符号の説明

１０ 集中型改質器
１２ 水素供給管
２０ 水素供給制御部
３０ 水素タンク
４０ 共用機器
４２ 共用機器制御部
４４ 共用燃料電池
５２ 冷水用配管
５４ 温水用配管
６０ 専用燃料電池
７０ 水素吸蔵合金
８２ 水供給切替部
１００ 燃料電池システム

Claims (4)

1. 共用機器を有する集合住宅に電力を供給する燃料電池システムであって、
   一つ又は複数の住戸毎に設置される複数の専用燃料電池と、
   予め定められる基準値以上の出力で動作し、前記複数の専用燃料電池で消費される水素を集中的に製造する改質器と、
   冷却されることにより水素を吸蔵し、加熱されることにより水素を放出する水素貯蔵部と、
   前記共用機器を動作させる電力を発生する共用燃料電池と、
   前記改質器が製造した水素を前記複数の専用燃料電池に供給し、前記複数の専用燃料電池で消費されない余剰水素を前記水素貯蔵部に供給し、前記水素貯蔵部の容量を超える前記余剰水素を前記共用燃料電池に供給する水素供給制御部と、
   前記共用燃料電池及び前記水素貯蔵部の直近に配され、前記共用燃料電池から吸収した熱で前記水素貯蔵部を加熱する温水用配管と、
   前記共用燃料電池及び前記水素貯蔵部の直近に配され、前記共用燃料電池に供給する冷却水の少なくとも一部で前記水素貯蔵部を冷却する冷水用配管と、
   前記水素供給制御部が前記共用燃料電池に供給する前記余剰水素で前記共用燃料電池を発電させ前記共用機器を動作させる共用機器制御部と
   を備える燃料電池システム。
2. 前記冷水用配管及び前記温水用配管の水の流れをそれぞれ制御することにより、前記水素貯蔵部の直近に冷却水及び温水のいずれを供給するかを切り替える水供給切替部
   を更に備える請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記共用機器制御部は、前記共用機器に動作の余裕があり、かつ前記共用燃料電池の出力に余裕があることを条件に、前記水素供給制御部に対して、前記共用燃料電池への前記余剰水素の供給を要求する、請求項１または２に記載の燃料電池システム。
4. 共用機器を有する集合住宅であって、
   請求項１から３のいずれか一項に記載の燃料電池システムを備える集合住宅。

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