JP5795289B2 - 燃料電池への燃料供給方法およびシステム - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池への燃料供給方法および燃料供給システムに関し、より詳しくは、燃料電池への燃料を途絶えることなく供給する燃料電池への燃料供給方法および燃料電池への燃料供給システムに関する。

特許文献１（特開平０５−１９０１８９号公報）には、燃料電池発電装置がその運転中に急激な負荷上昇指令を受けた際、燃料電池に生じるガス欠と、これに起因する燃料電池の損傷とを回避するために実施する保護運転方法が記載されている。そしてこれにより、燃料電池の負荷上昇時におけるガス不足を早期に検知して、燃料電池を「保護停止」させ、燃料電池の損傷を回避するとされている。

特許文献２（特開２００５−３５３２９２号公報）には、所定時間、ガスが流れ続けたときに警報を発するメーターを通過した商用ガスを燃料ガスに改質して導入する燃料電池を備える燃料電池システムに関し、特にマイコンメーターの漏洩検知による警報を回避するため、所定時間毎に所定時間、燃料電池を停止させる」ことが記載されている。

特許文献３（特開２０１１−１７５８１６号公報）には、長時間の連続的なガス使用が一時的に中断される制御される燃料電池システムに関し、（１）ガス使用状況の学習、（２）燃料電池の停止所要時間の考慮により、「メーター対応のための燃料電池の停止タイミング」を最適化することが記載されている。運転停止処理の開始時刻を、ユーザーによるガスの不使用時間帯（ガス器具のユーザーによる使用が無いと推定される時間帯）の開始時よりも早めて設定することで、不使用時間帯の開始に合わせてガス供給を完全に停止でき、これによりマイコンメーターの警報を回避することができるとされている。

特許文献４（特開２０１１−２１０４４９号公報）には、メーターと通信することで、必要時に燃料電池を停止させ、メーターがリセットしたことを受けて燃料電池を再起動する。これにより、メーター対応のための停止時間を減らすことができるとされている。

特開平０５−１９０１８９号公報 特開２００５−３５３２９２号公報 特開２０１１−１７５８１６号公報 特開２０１１−２１０４４９号公報

固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）や固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）などの燃料電池システムは、電気や熱を発生させられるだけでなく、ＣＯ₂排出量削減、一次エネルギー削減などの省エネルギー効果や地球温暖化防止効果を持つことが知られている。しかし、災害などで燃料の供給に不具合が生じた場合、またはガスメーターが持つ安全機能が働いた場合など、燃料電池システムへの燃料の供給が途絶えると、燃料電池は運転を続けることができない。

また、燃料電池の運転中に燃料の供給が突然途絶えることは、燃料電池の劣化を引き起こし、燃料電池の寿命を著しく縮めてしまう原因となる。特許文献１のような方法で燃料電池を停止させる機能を備えることにより、影響を僅かに低減させることはできるものの、根本的な解決には至らない。特にスタックがセラミックで構成されているＳＯＦＣにおいては、運転中の燃料供給停止はスタックの酸化還元反応につながるため、劣化する傾向が著しい。

さらに、運転中の燃料供給停止ではないにせよ、燃料電池を停止させることも、燃料電池の劣化を引き起こして燃料電池の寿命を縮めてしまう原因となる。特にスタックが運転中に高温に保たれているＳＯＦＣにおいては、運転を停止させることでスタックの温度が大幅に低下するため、ヒートショックによりスタックが劣化し、燃料電池の寿命の短縮を引き起こす。そのため特にＳＯＦＣでは、燃料電池を連続運転させることが通常である。しかし、ガスメーターにガスが約１箇月間流れ続けると、ガスメーターはガス管からの漏洩の可能性があると判断し、警報を発してしまう。この警報の発生を防ぐため、ＳＯＦＣでは約１箇月に１回、燃料電池の運転を意図的に停止させている（特許文献２〜４）。しかし前述の通り、運転の停止は燃料電池の寿命の短縮化を引き起こすため、好ましくない。

ここで、上記ガスメーターに関し、マイコンメーターと呼ばれるガスメーターにおいては、その主な安全機能として以下（１）〜（７）のようなときに、ガスの供給を自動的に遮断する機能を備えている。
また、下記（８）の場合には警報を発する機能を備えており、上記“ガスメーターにガスが約１箇月間流れ続けると、ガスメーターはガス管からの漏洩の可能性があると判断し、警報を発してしまう。”とは、このことを意味している。
（１）一時的に極めて多くのガスが使用された場合
（２）急に多くのガスが使用された場合
（３）長時間、一定量のガスが使用され続けた場合
（４）震度５強相当以上の地震が発生した場合
（５）メーターに振動やショックが加わったとき
（６）流れるガスの圧力が低下した場合
（７）警報器、不完全燃焼警報器が作動した場合（連動している場合のみ）
（８）３０日間連続してガスの流れを感知している場合

そのように意図的に運転を停止させることは、燃料電池を連続して運転させていれば得られたはずの「ＣＯ₂排出量削減、一次エネルギー削減」などの省エネルギー効果や地球温暖化防止効果を消滅させるばかりでなく、停止や再起動のために余計なエネルギーを消費してしまうため、好ましくない。

また、燃料電池は比較的一定量の燃料を消費するため、ガスメーターが持つ「長時間、一定量のガスが使用され続けた場合に、ガス供給を遮断する」という安全機能を作動させてしまう恐れがある。そのため、従来の燃料電池システムでは、貯湯ユニットの補助熱源機を一定時間毎に燃焼させて、ガスメーターに流れるガスの流量を一時的に増大させることにより、前記安全機能の作動を防いでいる。しかし、給湯などの熱需要がない場合に補助熱源機を燃焼させると、補助熱源機において沸騰防止などの保護機能が作動する恐れがあり、その回避のために特別な制御が必要となる。

また、燃料電池は、燃料を昇圧するポンプを有している。何らかの理由で燃料電池への燃料の供給が途絶えると、最終的には燃料電池は運転状態を維持することができなくなって停止するものの、停止するまでには一定の時間を要する。その間、前記昇圧ポンプは、燃料が供給されていないガス管内の気体を吸引することになり、機器外のガス管を負圧に至らしめる。通常、ガス管に接続されているガスメーターやガス機器は、ガス管が負圧になった場合の耐性を有していないため、これらの装置に不具合が発生する恐れがある。

本発明は、燃料電池システムへの燃料の供給が途絶えた場合、またはガスメーターの安全機能の作動を防ぐために燃料電池を停止する必要が生じた場合に、燃料電池システムに燃料を供給する手段を提供することで、災害時などの電力・熱の供給、燃料電池の寿命短縮化の防止、燃料電池の運転による省エネルギー効果や地球温暖化防止効果の向上、燃料電池外のガス管の負圧化防止を実現することを目的とする。さらに、本発明の利用により、ガスメーターが持つ「長時間、一定量のガスが使用され続けた場合に、ガス供給を遮断する」という安全機能の作動の防止が実現可能となる。

本発明（１）は、燃料貯蔵容器をガスメーターから燃料電池へ連結するガス管に配置して備えることにより、燃料電池への燃料を途絶えることなく供給する燃料電池への燃料供給方法において、燃料電池への燃料供給を燃料貯蔵容器からの供給に切り替えるに際し、燃料電池の運転を低出力（ゼロ出力を含む）運転に制御することを特徴とする燃料電池への燃料供給方法である。

本発明（２）は、本発明（１）の燃料供給方法において、燃料電池への燃料供給を燃料貯蔵容器からの供給に切り替えるに際し、燃料圧力の検知手段、燃料流量の検知手段、計時手段のいずれかにより切り替えることを特徴とする燃料電池への燃料供給方法である。

本発明（３）は、本発明（１）または（２）の燃料供給方法において、燃料電池への燃料供給を燃料貯蔵容器からの供給に切り替えるに際し、ガスメーターからの信号、燃料電池からの信号のいずれかをもって切り替えることを特徴とする燃料電池への燃料供給方法である。

本発明（４）は、本発明（１）〜（３）のいずれかの燃料供給方法において、貯蔵容器に大気圧を超える圧力で燃料が貯蔵されたボンベを用いるか、または貯蔵容器にガス吸着剤を用いてなることを特徴とする燃料電池への燃料供給方法である。

本発明（５）は、本発明（１）〜（４）のいずれかの燃料供給方法において、燃料電池が固体酸化物形燃料電池であることを特徴とする燃料電池への燃料供給方法である。

本発明（６）は、燃料貯蔵容器をガスメーターから燃料電池へ連結するガス管に配置して備えることにより、燃料電池への燃料を途絶えることなく供給する燃料電池への燃料供給システムにおいて、燃料電池への燃料供給を燃料貯蔵容器からの供給に切り替えるに際し、燃料電池の運転を低出力（ゼロ出力を含む）運転に制御することを特徴とする燃料電池への燃料供給システムである。

本発明（７）は、本発明（６）の燃料供給システムにおいて、燃料電池への燃料供給を燃料貯蔵容器からの供給に切り替えるに際し、燃料圧力の検知手段、燃料流量の検知手段計時手段のいずれかにより切り替えることを特徴とする燃料電池への燃料供給システムである。

本発明（８）は、本発明（６）または（７）の燃料供給システムにおいて、燃料電池への燃料供給を燃料貯蔵容器からの供給に切り替えるに際し、ガスメーターからの信号、燃料電池からの信号のいずれかをもって切り替えることを特徴とする燃料電池への燃料供給システムである。

本発明（９）は、本発明（６）〜（８）の燃料供給システムにおいて、貯蔵容器に大気圧を超える圧力で燃料が貯蔵されたボンベを用いるか、または貯蔵容器にガス吸着剤を用いてなることを特徴とする燃料電池への燃料供給システムである。

本発明（１０）は、本発明（６）〜（９）の燃料供給システムにおいて、燃料電池が固体酸化物形燃料電池であることを特徴とする燃料電池への燃料供給システムである。

本発明によれば、下記（１）〜（６）の効果が得られる。
（１）本発明によれば、災害などで燃料の供給に不具合が生じた場合、またはガスメーターが持つ安全機能が働いた場合など、燃料電池システムへの燃料の供給が途絶えた場合でも、燃料電池は運転を続けることができ、電気・熱を供給することができる。
（２）本発明によれば、燃料電池の運転中に燃料の供給が突然途絶えることによる燃料電池の劣化を無くすることができる。これにより燃料電池を長寿命化することができる。

（３）本発明によれば、ガスメーターにガスが約１箇月間流れ続けることによるガスメーターの警報発生を防ぐために燃料電池を停止させる必要を無くすることができる。これにより運転を停止させることよる燃料電池の劣化を無くし、燃料電池を長寿命化することができる。
（４）本発明によれば、ガスメーターにガスが約１箇月間流れ続けることによるガスメーターの警報発生を防ぐために燃料電池を停止させる必要を無くすることができる。これにより燃料電池の持つ省エネルギー効果や地球温暖化防止効果を増大させ、さらに燃料電池を停止させ再起動させるための余計なエネルギー消費を防ぐことができる。

（５）本発明によれば、ガスメーターに長時間一定量のガスが流れ続けることによるガスメーターのガス供給遮断を防ぐ目的で、貯湯ユニットに補助熱源機を一定時間毎に燃焼させるなどの特別な制御を搭載する必要がなくなる。
（６）本発明によれば、何らかの理由で燃料電池への燃料の供給が途絶えた場合でも、燃料電池内の昇圧ポンプにより燃料電池外のガス管を負圧に至らしめる恐れがなくなる。

図１は、本発明適用前の、燃料電池システムの構成を説明する図である。 図２は、本発明を適用した、燃料電池システムにおける燃料供給システムの態様例を説明する図である。 図３は、実施例を説明する図である。

〈燃料電池システムの説明〉
図１は、従来の燃料電池システムにおける燃料電池ユニット、貯湯ユニット等の態様例を説明する図である。この態様例での燃料電池システムは電気と熱を発生させる「燃料電池ユニット」と、熱を貯湯槽に蓄えて利用する「貯湯ユニット」の２つの装置ユニットで構成されている。

〈燃料電池ユニットの説明〉
燃料電池ユニットに入った燃料は、ポンプによって圧力を高められ、燃料処理装置で水素リッチなガスに改質された後、燃料電池スタックに送られる。例えば都市ガスの場合は通常２ｋＰａ程度の圧力で燃料が供給されているが、ＰＥＦＣやＳＯＦＣでは燃料処理装置や燃料電池スタックなどの圧力損失が比較的大きくて十分な燃料の流通が困難なため、ポンプを使って圧力を高めている。

図１において、都市ガスあるいは天然ガス等の原燃料ガス（図１では“燃料”と表示している）はポンプを経て、すなわちポンプを介して、燃料処理装置へ供給される。燃料処理装置では、原燃料ガスが改質され、改質ガスは燃料電池スタックに供給される。改質ガスは、燃料電池がＳＯＦＣのときはそのまま発電用燃料として利用され、燃料電池がＰＥＦＣのときはＣＯ変成器、ＣＯ酸化器を経て発電用燃料として利用される。

燃料電池スタックには、ＰＥＦＣの場合は固体高分子が用いられ、ＳＯＦＣの場合はセラミックが用いられている。燃料電池スタックで発生した電力は、インバーターで交流に変換され、燃料電池外に出力される。

〈貯湯ユニット〉
燃料電池スタックで発生した熱はお湯として貯湯槽に蓄えられ、給湯などの熱需要に利用される。図１に示す例では記載されていないが、暖房の熱需要に利用される場合もある。貯湯槽に蓄えられた熱を使い切り、なお熱需要がある場合は、補助熱源機が燃焼して熱を供給する。

〈本発明の態様〉
図２は本発明の態様を説明する図である。図２において、都市ガスあるいは天然ガス等の原燃料ガスは、導管１からガスメーター（マイコンメーター）２を経て、ガス管３へ流れる。ガス管３は、途中分岐し、原燃料ガスを貯湯ユニットや家庭内でのガス機器用の燃料として供給する。符号４はそのための分岐管である。ガス管３のうち、分岐管４が分岐する位置より下流側に開閉弁５を設ける。分岐しない原燃料ガスは、さらにガス管３中を流れ、燃料電池ユニット１１へ供給される。

本発明においては、原燃料ガス貯蔵容器６をガスメーター（マイコンメーター）２から燃料電池ユニット１１へ連結するガス管３に配置して備える。この構成は本発明において重要な構成である。これにより、燃料電池システムへ供給する燃料を途絶えることなく供給できるようにすることができるものである。符号７は貯蔵容器６からの原燃料ガス導出管であり、原燃料ガス導出管７は開閉弁８を介してガス管３に連結している。当該原燃料ガス導出管７のガス管３への連結位置は開閉弁５より下流側である。

本発明の燃料電池システムにおける燃料供給方法および燃料供給システムにおいては、代替のガス供給方式を付加することにより、ガス供給の異常やその他必要時に、燃料電池の運転継続を可能にするものである。

〈実施例〉
図３は、本発明における原燃料ガス貯蔵容器に、天然ガス自動車用の燃料ボンベを用いた場合の実施例である。図２における「原燃料ガス貯蔵容器６」が図３における「燃料ボンベ」に相当してる。

燃料ボンベには２０ＭＰａの圧力で燃料が貯蔵されており、減圧弁によって約２ｋＰａに減圧されて燃料電池に供給される。原燃料ガス貯蔵容器にはこのように１ＭＰａ以上の高圧で貯蔵されたボンベを用いることが容器のコンパクト性、燃料貯蔵量の確保の観点では好ましいが、より低圧の容器でも構わない。なお、１ＭＰａ以下の圧力で貯蔵する場合は、活性炭などのガス吸着剤を用いた貯蔵容器であれば、貯蔵容器の体積あたりの燃料貯蔵量を増大できるという観点で好ましい。

燃料電池への燃料供給を燃料ボンベからの供給に切り替えるためには、切替弁を用いる。通常の状態では燃料電池はガスメーターの下流側に位置しているため、ガスメーターがガスを遮断すると燃料電池への燃料供給は途絶えるが、切替弁により燃料ボンベからの供給に切り替えることで、燃料電池の運転を継続することが可能となる。

切替弁には切替制御装置が接続されており、自動での切替が可能である。燃料ボンベからの供給に切り替える場合としては、ガス供給に異常が生じたことを検知した場合、ガスメーターの警報発生または遮断発生を防ぐ場合、のいずれかである。

ガス供給に異常が生じた場合（何らかの理由でガスメーターによるガス遮断が発生した場合を含む）、圧力センサによって検知されるガス管内の圧力値が所定の値以下になったことをもって切替制御装置が切替弁を動作させる。なお、圧力センサは、燃料電池内、ガスメーター内、ガスメーターから燃料電池につながるガス管内のどこに設置されていても良い。また、圧力センサの代わりに、所定の圧力値以下になったことを判定する機能を持つ圧力スイッチ、またはガス流量センサなどの流量検出手段を用いても良い。

さらに、ガス供給に異常が生じた場合は燃料電池の運転継続が困難になるため、ガス圧力やガス流量の検出手段によらず、燃料電池の運転状態に異常が発生した信号を燃料電池から受けた場合に切替弁を動作させても良い。同様に、ガスメーターによる遮断が発生した信号をガスメーターから受けた場合に、切替弁を動作させても良い。

ガスメーターの警報発生または遮断発生を防ぐ場合、すなわち「ガスメーターにガスが約１箇月間流れ続けると発する警報」または「ガスメーターに長時間、一定量のガスが使用され続けることで起こる遮断」を防止する場合には、切替制御装置内に計時手段を設け、前回の切替動作から所定の時間が経過したことをもって切替弁を動作させる。この計時手段は、切替制御装置内でなく、ガスメーター、燃料電池ユニット、貯湯ユニットのどこに設けられていても良い。

計時手段で計測された約１箇月以内の所定時間において燃料電池への燃料供給を燃料ボンベからの供給に切り替えることにより、燃料電池が消費するガスはガスメーターを流れなくなり、「ガスメーターにガスが約１箇月間流れ続けると発する警報」を防止することができる。また、計時手段で計測された所定時間において燃料電池への燃料供給を燃料ボンベからの供給に切り替えることにより、燃料電池が消費するガスはガスメーターを流れなくなり、「ガスメーターに長時間、一定量のガスが使用され続けることで起こる遮断」を防止することができる。

〈貯蔵容器のコンパクト性を重視して天然ガス自動車用燃料ボンベとしては比較的小型の５０Ｌ容器を用いた場合の実施例〉
本実施例において、貯蔵容器のコンパクト性を重視し、天然ガス自動車用燃料ボンベとしては比較的小型の５０Ｌ容器を用いた場合、当該燃料ボンベによる燃料供給で運転可能な燃料電池の時間は、次のように計算される。燃料は２０ＭＰａの高圧で貯蔵されているため、標準状態に換算すると約１０Ｎｍ³が貯蔵されている。燃料電池が定格７００Ｗ発電するＳＯＦＣであれば、その燃料消費量は、７００Ｗ発電時すなわち最高消費時で２．５ＮＬ／ｍｉｎ、ゼロ出力（０Ｗ発電）時すなわち最低消費時で１．０ＮＬ／ｍｉｎ程度である。そのため７００Ｗ発電ならば約３日間、ゼロ出力運転なら約１週間、燃料電池の運転が可能となる。

ここで、災害時などガス供給に異常が生じた場合は、非常時に電力・熱を供給することのメリットが大きいため、燃料電池の出力には特に制限は与えず、定格までの運転を可能とすることが好ましい。

一方、ガスメーターの警報発生または遮断発生を防ぐために燃料ボンベからの燃料供給に切り替える場合は、燃料電池に定格までの運転を許可すると、貯蔵容器内の有限な燃料の使い果たし、貯蔵容器の交換が必要になる恐れがある。使い果たさないとしても、災害時などガス供給に異常が生じた際、燃料電池が運転可能な時間を減少させてしまうため、好ましくない。従って、ガスメーターの警報発生または遮断発生を防ぐために燃料ボンベからの燃料供給に切り替える場合は、燃料電池に信号を与えることで、燃料電池の運転を低出力（ゼロ出力を含む）運転に制御することが好ましい。

１、３ ガス管
２ ガスメーター（マイコンメーター）
４ 分岐管
５、８ 開閉弁
６ 原燃料ガス貯蔵容器
７ 貯蔵容器６からの原燃料ガス導出管
１１ 燃料電池ユニット
１２ 給湯ユニット

Claims (10)

1. 燃料貯蔵容器をガスメーターから燃料電池へ連結するガス管に配置して備えることにより、燃料電池への燃料を途絶えることなく供給する燃料電池への燃料供給方法において、
   燃料電池への燃料供給を燃料貯蔵容器からの供給に切り替えるに際し、燃料電池の運転を低出力（ゼロ出力を含む）運転に制御することを特徴とする燃料電池への燃料供給方法。
2. 請求項１に記載の燃料供給方法において、燃料電池への燃料供給を燃料貯蔵容器からの供給に切り替えるに際し、燃料圧力の検知手段、燃料流量の検知手段、計時手段のいずれかにより切り替えることを特徴とする燃料電池への燃料供給方法。
3. 請求項１または２に記載の燃料供給方法において、燃料電池への燃料供給を燃料貯蔵容器からの供給に切り替えるに際し、ガスメーターからの信号、燃料電池からの信号のいずれかをもって切り替えることを特徴とする燃料電池への燃料供給方法。
4. 請求項１〜３のいずれかに記載の燃料供給方法において、貯蔵容器に大気圧を超える圧力で燃料が貯蔵されたボンベを用いるか、または貯蔵容器にガス吸着剤を用いてなることを特徴とする燃料電池への燃料供給方法。
5. 請求項１〜４のいずれかに記載の燃料供給方法において、燃料電池が固体酸化物形燃料電池であることを特徴とする燃料電池への燃料供給方法。
6. 燃料貯蔵容器をガスメーターから燃料電池へ連結するガス管に配置して備えることにより、燃料電池への燃料を途絶えることなく供給する燃料電池への燃料供給システムにおいて、
   燃料電池への燃料供給を燃料貯蔵容器からの供給に切り替えるに際し、燃料電池の運転を低出力（ゼロ出力を含む）運転に制御することを特徴とする燃料電池への燃料供給システム。
7. 請求項６に記載の燃料供給システムにおいて、燃料電池への燃料供給を燃料貯蔵容器からの供給に切り替えるに際し、燃料圧力の検知手段、燃料流量の検知手段、計時手段のいずれかにより切り替えることを特徴とする燃料電池への燃料供給システム。
8. 請求項６または７に記載の燃料供給システムにおいて、燃料電池への燃料供給を燃料貯蔵容器からの供給に切り替えるに際し、ガスメーターからの信号、燃料電池からの信号のいずれかをもって切り替えることを特徴とする燃料電池への燃料供給システム。
9. 請求項６〜８のいずれかに記載の燃料供給システムにおいて、貯蔵容器に大気圧を超える圧力で燃料が貯蔵されたボンベを用いるか、または貯蔵容器にガス吸着剤を用いてなることを特徴とする燃料電池への燃料供給システム。
10. 請求項６〜９のいずれかに記載の燃料供給システムにおいて、燃料電池が固体酸化物形燃料電池であることを特徴とする燃料電池への燃料供給システム。

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