JP5305578B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、系統電源のバックアップ電源として用いる燃料電池システムに関する。

近年、系統の商用電源（以下系統電源と略す）からの送電が停止（停電）した場合であっても、負荷に対して電力を供給できるバックアップ電源が普及しつつある。このようなバックアップ電源は、系統電源からの送電が停止（停電）した場合に、直ちに電力を供給することができるため、停電の時間を短く、または全く停電がない状態とすることができる。そのような、バックアップ電源としては、例えば太陽電池が知られており、系統電源と太陽電池とを組み合わせた電気供給システムが知られている（例えば、特許文献１参照）。

他方、次世代エネルギーとして注目されている燃料電池をバックアップ電源として使用することが開発されており、例えば系統電源と燃料電池とを組み合わせた電気供給システムが提案されている（例えば、特許文献２参照）。
特開２００６−２８０１７７号公報 特開２００５−２０３１４５号公報

しかしながら、系統電源とバックアップ電源としての太陽電池とを組み合わせた電気供給システムにおいては、太陽電池が晴天時の日中でなければ発電できないため、例えば雨天時や夜間に系統電源からの送電が停止した場合に、十分な電気を供給することができず、太陽電池をバックアップ電源として用いる場合には、電力の安定供給の面で不十分な点があった。

一方、系統電源とバックアップ電源としての燃料電池を組み合わせた電気供給システムにおいては、燃料電池の負荷追従能力（速度）が遅いことから、負荷の急激な変動に対して追従することが難しい。それゆえ、燃料電池をバックアップ電源として使用する場合には、さらにバッテリー等の補助電源を設けることが提案されており、特に、家庭の電力をまかなうにあたっては、大容量のバッテリーを設けることが好ましく、電気供給システムとしての大きさやコストの面で問題があった。

したがって、本発明の目的は、系統電源と燃料電池を組み合わせた電気供給システムにおいて、系統電源が停電となった場合であっても、直ちに電力を供給することができるとともに、電気供給システムとしての大きさやコスト面を改善した、燃料電池システムを提供することにある。

本発明の燃料電池システムは、燃料ガスおよび酸素含有ガスが供給されて発電する固体電解質形燃料電池と、該燃料電池から供給される直流電力を交流電力に変換し、変換された交流電力を系統電源から供給される交流電力に応じて調整する電力変換システムとを具備し、前記燃料電池から供給される電力と前記系統電力から供給される電力を組みあわせて負荷に供給するとともに、前記系統電源からの送電が停止されたときに、前記系統電源と前記燃料電池とを切り離して、前記燃料電池から供給される電力のみを継続して負荷に供給する燃料電池システムにおいて、前記系統電源からの送電が停止された後復旧するまでの間中、前記燃料電池に、前記負荷に供給できる最大の電力量に相当する前記燃料ガスを継続して供給することを特徴とする。

このような燃料電池システムにおいては、系統電源からの送電が停止されたときに、系統電源と燃料電池とを切り離すとともに、燃料電池がバックアップ電源（独立電源）として、燃料電池から供給される電力のみを継続して負荷に対して直ちに供給することができる。

すなわち、燃料電池に、系統電源からの送電が停止された後復旧するまでの間中、負荷に供給できる最大の電力量に相当する燃料ガスが継続して供給されることから、負荷に供給できる最大の電力量を発電することができ、燃料電池の最大発電量の範囲内で急激な負荷変動に対しても、十分な電力を供給することができる。

それゆえ、急激な負荷変動に伴い、瞬間的に発電量に対して燃料が不足し、急激に燃料電池の電圧が低下する燃料枯れの現象を抑制することができ、バッテリー等の補助電源がなくても、直ちに十分な電力を供給することができる。それゆえ、燃料電池システム（ひいては電力供給システム）が大型化することやコストを抑制することができる。

また、本発明の燃料電池システムは、前記燃料電池を作動させるための補機と、前記燃料電池と電気的に直接接続され、かつ前記燃料電池から供給される直流電力を、前記補機の動作に要求される電力に変換して前記補機に供給するための電源とを具備することが好ましい。

このような燃料電池システムにおいては、燃料電池より供給される直流電力を、補機（ポンプ、流量計、バルブ等）の作動に要求される電力に変換して供給することで、補機を作動させることができるとともに、燃料電池も作動させることができる。それゆえ、燃料電池と接続される負荷に対して、安定して十分な電力を供給することができる。

また、燃料電池と電源が電気的に直接接続されていることから、例えば系統電源からの送電が停止したとき、それに伴い電力変換システムを一時停止した場合であっても、燃料電池から供給される直流電力は直接電源に供給されて、補機の動作に要求される電力に変換された後、補機に供給される。それゆえ、燃料電池から供給される電力が、途切れることなく補機に供給されるため、補機や燃料電池が停止することも抑制でき、例えばバッテリー等の補助電源を設けなくても、燃料電池をバックアップ電源として有効に使用することができる。

それゆえ、安定して十分な電力を供給することができるとともに、燃料電池システム（ひいては電気供給システム）が大型化することやコストを抑制することができる。

また、本発明の燃料電池システムは、前記系統電源からの送電が停止されたときに、前記燃料電池から供給される直流電力が、前記電力変換システムにより交流電力に変換された後、手動により操作可能なスイッチにより、前記燃料電池から供給される電力のみを出力する専用の出力端子に供給され、当該専用の出力端子に前記負荷を接続することで、当該負荷に対して前記燃料電池から供給される電力のみを継続して供給することが好ましい。

系統電源からの送電が停止された後復旧するまでの間、燃料電池がバックアップ電源として作動する場合において、系統電源と燃料電池とが接続されていると、燃料電池から供給される直流電力が、系統電源から電力を供給するための送電線等を伝って流れる（逆流する）おそれがある。したがって、系統電源が停電した場合は、系統電源と燃料電池とが切り離される。

ここで、燃料電池から供給され電力変換システムにより変換された交流電力が、手動により操作可能なスイッチにより、燃料電池から供給される電力のみを出力する専用の出力端子に供給されることから、燃料電池システムがバックアップ電源（独立運転）となっていることを確認することができる。

さらに、燃料電池から供給される電力が、燃料電池から供給される電力のみを出力する専用の出力端子に供給されるよう設定されていることから、系統電源からの送電が復旧した際、電力変換システム等に影響することを抑制できる。

一方、系統電源と燃料電池とを切り離すことにより、系統電源に接続されている負荷に対して電力を供給することができなくなる。

ここで、燃料電池から供給され電力変換システムにより変換された交流電力が、手動により操作可能なスイッチにより、燃料電池から供給される電力のみを出力する専用の出力端子に供給されることから、専用の出力端子と負荷を接続することで、負荷に対して安定して十分な電力を供給することができる。

また、本発明の燃料電池システムは、前記系統電源からの送電が停止されたときに、前記燃料電池から供給される直流電力が、前記電力変換システムにより交流電力に変換された後、前記燃料電池と接続される負荷に対して、前記燃料電池から供給される電力のみを出力するための切り替え手段を具備することが好ましい。

ここで、燃料電池から供給される直流電力が、電力変換システムにより交流電力に変換された後、燃料電池と接続される負荷に対して、燃料電池から供給される電力のみを出力するための切り替え手段を具備していることから、例えば、常時電力を接続しておかなければならない負荷に対して、電力の供給が停止することなく、安定して電力を供給することができる。

また、本発明の燃料電池システムは、前記燃料電池が家庭用燃料電池であって、前記系統電源と前記燃料電池との切り離しが、前記家庭に設けられる分電盤にて行なわれることが好ましい。

例えば、燃料電池が家庭用燃料電池であって、燃料電池を系統電源のバックアップ電源として用いる場合は、系統電源と燃料電池との切り離しは、系統電源からの送電が停止された後復旧されるまでの間にのみ行なえばよい。

それゆえ、燃料電池を家庭用燃料電池とする場合においては、系統電源と燃料電池との切り離しを行なうための手段を、家庭に設けられる分電盤に設けることで、家庭に供給される電力の制御を一箇所で行なうことができるとともに、電力の切り離しを行なうための手段の設置場所等を忘れるといったことを防止することができる。さらには、安易に電力の切り離しを行なうための手段に触れるといったことも防止できる。

また、本発明の燃料電池システムは、前記負荷に供給できる最大の電力量に相当する燃料ガスの量が、前記燃料電池の温度に応じて設定されることが好ましい。

燃料電池の発電性能は温度により変化するため、負荷に供給できる最大の電力量を発電するにあたっては、燃料電池の温度に応じて燃料ガスの量を調整する必要がある。

ここで、燃料電池の温度に合わせて、燃料ガスの量を調整するように予め設定することにより、系統電源からの送電が停止している間、負荷に供給するための最大の電力量を得ることができる。それゆえ、燃料電池と接続される負荷に対して、安定して十分な電力を供給することができる。

本発明の燃料電池システムは、系統電源からの送電が停止された時に、系統電源と燃料電池とを切り離して、燃料電池から供給される直流電力が交流電力に変換された後、燃料電池から供給される電力のみを継続して負荷に供給する燃料電池システムにおいて、系統電源から送電が停止された後復旧するまでの間中、燃料電池に、負荷に供給できる最大の電力量に相当する燃料ガスを継続して供給することから、急激な負荷変動に対しても、十分な電力を供給することができ、燃料電池を系統電源のバックアップ電源として使用することができる。

図１は、本発明の燃料電池システムの構成の一例を示した構成図である。本発明の燃料電池システム（Ａ）は、燃料ガスと酸素含有ガスが供給されて発電する固体電解質形燃料電池（以下燃料電池と略す）１と、燃料電池１から供給される直流電力を交流電力に変換
し、変換された交流電力を系統電源から供給される交流電力に応じて調整する電力変換システム電力変換システム２、燃料電池１を作動させるための補機４、燃料電池１から供給される直流電力を補機４の作動に要求される電力に変換して補機４に供給するための電源３とから構成されている。そして、電力変換システム２にて変換・調整された電力と、系統電源６から供給される電力とを組みあわせて負荷５に供給する。

また、電力変換システム２においては、燃料電池１から供給される直流電力を交流電力に変換し、系統電源６から供給される交流電力に応じて波長等を適宜調整する。なお、以下の説明において、この調整を含めて交流電力への変換とよび、以下同意である。

そして、燃料電池システム（Ａ）、負荷５、系統電源６と、により電力供給システム（Ｂ）が構成される。なお、同一の構成については同一の番号を付するものとし、以下同様とする。

通常、系統電源６から供給される交流電力と、燃料電池１から供給され、電力変換システム２により変換された交流電力とを、組み合わせて負荷５に電力を供給する。

しかしながら、何らかの原因で系統電源６からの送電が停止する場合がある。この場合、本発明の燃料電池システム（Ａ）においては、燃料電池１がバックアップ電源（独立電源）として機能する。

すなわち、系統電源６からの送電が停止した場合（送電が停止ししている間中）、系統電源６と燃料電池１とが切り離されることにより、燃料電池１がバックアップ電源（独立電源）として作動し、燃料電池１と接続される負荷５に対して、継続して燃料電池１から供給される電力のみが負荷５に供給される。

しかしながら、単に系統電源６と燃料電池１を切り離しただけでは、燃料電池は負荷追従能力（速度）が遅いことから、急激な負荷変動が生じた場合に、その負荷変動に追従して電力を供給することが難しい。すなわち、燃料電池においては、負荷が要求する電力に合わせて、燃料電池に燃料ガス等が供給されるため、必要な電力を直ちに供給することができず、場合によっては燃料電池の発電が緊急停止する場合がある。

一方、本発明においては、系統電源６からの送電が停止された後復旧するまでの間、燃料電池１に、負荷に供給できる最大の電力量に相当する燃料ガスが継続して供給される。すなわち、系統電源６からの送電が停止された後復旧するまでの間に、急激な負荷変動が生じたとしても、負荷に供給できる最大の電力量を直ちに発電できることから、燃料電池１の最大発電量の範囲内で、急激な負荷変動に対応することが可能となる。

それゆえ、急激な負荷変動に伴い、瞬間的に発電量に対して燃料が不足し、急激に燃料電池の電圧が低下する燃料枯れの現象を抑制することができ、バッテリー等の補助電源がなくても、安定して十分な電力を供給することができる。それゆえ、燃料電池システム（Ａ）、ひいては電力供給システム（Ｂ）が大型化することやコストを抑制することができる。

なお、燃料電池１に継続して供給される燃料ガスの量に対応して、燃料電池の発電を行なうための酸素含有ガスや、燃料ガスを水蒸気改質するための水等を、適宜供給してもよい。

ちなみに、燃料電池１は、燃料電池１に接続される負荷に供給できる最大の電力に相当する燃料ガスが継続して供給されることから、例えば負荷５が少ない場合には、余分な燃料ガスが生じることとなる。この場合において、余分な燃料ガスを燃料電池１の近傍で燃焼させることにより、燃料電池１の温度を高温に保持することができる。詳細は後述するが、燃料電池１が固体電解質形燃料電池の場合にあっては、燃料電池１の温度が低い場合には、出力しうる最大電力が小さく、温度の上昇に伴い最大電力が向上する傾向がある。それゆえ、燃料電池１の温度を高温に保持することにより、燃料電池１の最大発電量を向上することができるとともに、安定して十分な電力を供給することができる。

また、本発明の燃料電池システム（Ａ）は、燃料電池１を作動させるための補機４と、燃料電池１と電気的に直接接続され、燃料電池１から供給される直流電力を、補機４の作動に要求される電力に変換して補機４に供給するための電源３と、が設けられている。

ここで、燃料電池１を作動するために用いられる補機４（ポンプ、流量計、バルブ等）に対して電力（直流電力）を供給する必要がある。本発明の燃料電池システム（Ａ）においては、燃料電池１から供給される直流電力の電圧が、補機４を作動するために必要な電圧よりも大きいため、補機４で必要とされる電圧（電力）に変換する必要がある。それゆ
え、電源３としては、例えばＤＣ−ＤＣコンバーターを用いることができる。

そして燃料電池１から供給される直流電力は、電源３により補機４の作動に要求される電力に変換された後、補機４に供給される。それにより、燃料電池１を作動させるための補機４を作動させることができるとともに、燃料電池１を作動することができる。それゆえ、安定して十分な電力を供給することができる。

また、燃料電池１と電源３とが電気的に直接接続されていることから、例えば系統電源６からの送電が停止し、それに伴い電力変換システム２を一時停止した場合であっても、燃料電池１から供給される直流電力は直接電源３に供給されて補機４の作動に要求される電力に変換された後、補機４に供給される。それゆえ、燃料電池１から供給される電力が、途切れることなく補機４に供給されるため、補機４や燃料電池１が停止することも抑制でき、例えばバッテリー等の補助電源を設けなくても、燃料電池１をバックアップ電源として有効に使用することができる。

それゆえ、安定して十分な電力を供給することができるとともに、燃料電池システム（Ａ）（ひいては電気供給システム（Ｂ））が大型化することやコストを抑制することができる。

なお、本発明においては、例えば燃料電池１より供給される直流電力を、電力変換システム２にて一度交流電力に変換した後、電源３に供給して直流電力に変換した後、補機４に供給するようにしてもよい。この場合において、電源３はＡＣ−ＤＣコンバーターを用いることができる。

図２は、本発明の燃料電池システム（Ａ）の他の実施態様を示した構成図であり、燃料電池１からの直流電力が、電力変換システム２にて交流電力に変換された後、手動により操作可能なスイッチ７により、燃料電池１から供給される電力のみを出力する専用の出力端子８に供給される場合を示している。

系統電源６からの送電が停止し、燃料電池１がバックアップ電源として作動する場合において、系統電源６と燃料電池１とが接続されていると、燃料電池１から供給される直流電力が、系統電源６から電力を供給するための送電線等を伝って流れる（逆流する）おそれがある。それゆえ、系統電力６からの送電が停止した場合は、系統電源６と燃料電池１とを切り離すことが定められている。一方、系統電源６と燃料電池１とを切り離すことにより、負荷に対して電力を供給することができなくなる。

ここで、燃料電池１から供給される直流電力が、電力変換システム２にて交流電力に変換された後、手動により操作可能なスイッチ７を操作することにより、燃料電池１から供給される電力を、燃料電池１から供給される電力のみを出力する専用の出力端子８につながる回路へと流すことができ、専用の出力端子８と負荷を接続することで、負荷に対して安定して十分な電力を供給することができる。

ここで、専用の出力端子８は、負荷と接続できる形状であれば、どのような形状のものも使用でき、例えばコンセント等を使用することができる。

また、系統電源６からの送電が停止した後復旧するまでの間、燃料電池１から供給される電力を、電力変換システム２により変換した後、燃料電池１と接続される負荷に対して、燃料電池１から供給される電力のみを出力するための切り替え手段を具備することが好ましい。

この切り替え手段としては、例えば電力を供給するためのスイッチを自動的に切り替える手段等が挙げられる。

この場合においては、燃料電池１から供給される直流電力が、電力変換システム２にて交流電力に変換された後、負荷に対して自動的に供給されることから、燃料電池１からの電力と負荷とを確実に接続することができる。

それにより、例えば長期間不在としていた場合に、系統電源６からの送電が停止した場合であっても、常時電力を接続しておかなければならない負荷に対して、系統電源６からの送電が停止した後復旧するまでの間、電力の供給が停止することを抑制できる。

図３は、本発明の燃料電池システム（Ａ）の他の実施態様を示した構成図であり、燃料電池１が家庭用燃料電池であって、系統電源６と燃料電池１との切り離しが、家庭に設けられる分電盤（Ｃ）にて行なわれる例を示したものである。なお、本図においては、分電盤（Ｃ）の内部を理解しやすくするため、系統電源６と燃料電池１との切り離しを、スイッチ１０を操作することで行なわれる場合の例を示し、燃料電池１と接続される負荷として負荷９を例示している。

通常、燃料電池１を家庭用燃料電池とする場合において、燃料電池１を系統電源６のバックアップ電源（独立電源）として用いる場合、系統電源６と燃料電池１との切り離しは、系統電源６からの送電が停止したときに行なえばよい。

したがって、燃料電池１を家庭用燃料電池とする場合においては、系統電源６の制御を行なうための家庭に設けられる分電盤（Ｃ）に、系統電源６と燃料電池１とを切り離すためのスイッチを設けることで、電力の制御を一箇所で行なうことができるとともに、例えば電力の切り離しのスイッチの場所を忘れることや、安易に電力の切り離しを行なうための装置に触れるといったことが防止できる。

また、好ましくは分電盤（Ｃ）にて、系統電源６と燃料電池１とを自動的に切り離す、さらには系統電源６の送電が復旧した際に、自動的に系統電源６と燃料電池１とを再接続するように設計してもよく、分電盤（Ｃ）に、燃料電池１から供給される電力を、専用の出力端子８に流すためのスイッチ７等を設けてもよい。

また、例えば分電盤（Ｃ）にセンサ等を設け、系統電源６からの送電が停止し、系統電源６と燃料電池１とを自動的に切り離したことを、携帯電話やパソコン等にメール等にて送信したり、逆に携帯電話やパソコンよりメール等にて情報を送信し、その情報を受信すると、自動的に燃料電池１と系統電力６との接続を切り離したりする、といった設計にしてもよい。

さらに、本発明の燃料電池システム（Ａ）は、負荷に供給できる最大の電力量に相当する燃料ガスの量が、燃料電池１の温度に応じて設定されることが好ましい。

燃料電池１の発電性能は温度により変化するため、負荷に供給できる最大の電力量を発電するにあたっては、燃料電池１の温度に応じて燃料ガスの量を調整する必要がある。

図４は、燃料電池１の発電性能の温度依存性を示した一例である。ここで、燃料電池１の発電性能を調査するにあたっては、下記の方法に従って行なった。

まず、燃料電池の発電を行なう燃料電池セルを、複数個配列して、電気的に直列に接続した燃料電池セルスタックを、収納容器内に収納して燃料電池１とした。なお収納容器内には、燃料電池１を作動するための改質器等の補機もあわせて収納した。

このようにして作製した燃料電池１を高出力で運転させ、燃料電池１の温度が８００℃（高温）となるよう運転させた。そして、燃料電池１の温度が８００℃に達した後、燃料電池１に接続されている負荷の量（例えば電子負荷）を調整し、このときの電流と出力の値をプロットした。

また、燃料電池１の温度が６００℃（低温）の場合は、燃料電池１を低出力で運転させ、燃料電池１の温度が６００℃となるようにし、後は高温時と同様に、電流と出力の値をプロットした。

図４から明らかなように、同じ出力電力を得るにあたり、燃料電池１の温度が、８００℃（高温）と６００℃（低温）との場合では、必要とする電流量が異なる。また、燃料電池は電気化学反応であるため、電流量とガス量が比例する関係にある。それゆえ、燃料電池１において、負荷に供給できる最大の電力量を発電するにあたっては、燃料電池１の温度に応じて燃料ガスの量を調整することが好ましい。

ここで、燃料電池１の温度にあわせて、燃料ガスの量を調整するようにあらかじめ設定することにより、系統電源６からの送電が停止している間、負荷に供給するための最大の電力量を得ることができ、燃料電池１と接続される負荷に対して、燃料電池１の最大発電量の範囲内で、安定して十分な電力を供給することができる。

本発明の燃料電池システム（Ａ）の一例を示す構成図である。 本発明の燃料電池システム（Ａ）の他の実施の形態を示した構成図である。 本発明の燃料電池システム（Ａ）のさらに他の実施の形態を示した構成図であり、系統電源と燃料電池とを切り離すための分電盤（Ｃ）を設けている。 燃料電池の発電における温度依存性を示したグラフである。

符号の説明

１：燃料電池
２：電力変換システム
３：電力変換機
４：補機
５、９：負荷
６：系統電源
７、１０：スイッチ
８：専用コンセント

Claims (6)

1. 燃料ガスおよび酸素含有ガスが供給されて発電する固体電解質形燃料電池と、該燃料電池から供給される直流電力を交流電力に変換し、変換された交流電力を系統電源から供給される交流電力に応じて調整する電力変換システムとを具備し、前記燃料電池から供給される電力と前記系統電力から供給される電力を組みあわせて負荷に供給するとともに、前記系統電源からの送電が停止されたときに、前記系統電源と前記燃料電池とを切り離して、前記燃料電池から供給される電力のみを継続して負荷に供給する燃料電池システムにおいて、前記系統電源からの送電が停止された後復旧するまでの間中、前記燃料電池に、前記負荷に供給できる最大の電力量に相当する前記燃料ガスを継続して供給することを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記燃料電池を作動させるための補機と、前記燃料電池と電気的に直接接続され、かつ前記燃料電池から供給される直流電力を、前記補機の作動に要求される電力に変換して前記補機に供給するための電源とを具備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. 前記系統電源からの送電が停止されたときに、前記燃料電池から供給される直流電力が、前記電力変換システムにより交流電力に変換された後、手動により操作可能なスイッチにより、前記燃料電池から供給される電力のみを出力する専用の出力端子に供給され、当該専用の出力端子に前記負荷を接続することで、当該負荷に対して前記燃料電池から供給される電力のみを継続して供給することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料電池システム。
4. 前記系統電源からの送電が停止されたときに、前記燃料電池から供給される直流電力が、前記電力変換システムにより交流電力に変換された後、前記燃料電池と接続される負荷に対して、前記燃料電池から供給される電力のみを出力するための切り替え手段を具備することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料電池システム。
5. 前記燃料電池が家庭用燃料電池であって、前記系統電源と前記燃料電池との切り離しが、前記家庭に設けられる分電盤にて行なわれることを特徴とする請求項１乃至請求項４のうちいずれかに記載の燃料電池システム。
6. 前記負荷に供給できる最大の電力量に相当する燃料ガスの量が、前記燃料電池の温度に応じて設定され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。

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