JP6213771B2 - 燃料電池発電システム - Google Patents

Description

本発明は燃料電池発電システムに関し、特に燃料電池の発電電力に余剰電力が生じた際に燃料電池の出力状態を高効率出力状態に維持したまま余剰電力を有効に活用したものに関する。

従来から、空気と改質燃料ガス（水素含有ガス）との酸化還元反応によって化学エネルギーを電気エネルギーに変換することで発電を行う燃料電池発電システムが実用に供されている。この燃料電池発電システムは、発電を行なう燃料電池発電モジュール、この燃料電池発電モジュールの発電電力を調整するパワーコンディショナユニット等を有する燃料電池を備えている。

一般的な燃料電池は、最大発電電力の近傍で発電効率が最も高くなるように設計されている場合が多い。このため、燃料電池の発電電力が最大発電電力よりも低い場合には、それに応じて発電効率も低くなるので、燃料電池は最大発電電力が出力されるように最高効率点又はその近傍に設定して運転することが望ましい。

しかし、燃料電池の発電電力を最高効率点又はその近傍で運転し続けると、家庭用電化製品等の負荷が低下した際には余剰電力が生じてしまう。このとき、余剰電力が系統電源に逆流するのを防止する為に、燃料電池の発電電力を低下させて余剰電力を無くす必要があるが、燃料電池の発電効率を考慮すると、燃料電池の出力状態を維持することが望ましいので、余剰電力を発熱ヒータ等で処理する場合がある。

また、上記の余剰電力を処理する技術として、例えば、特許文献１の電源装置は、燃料電池と、この燃料電池に対して並列に接続された蓄電装置と、これらを制御する制御装置等を備えて構成され、燃料電池の発電電力を最高効率点に設定して運転し、その燃料電池に余剰電力が生じた場合、燃料電池の出力状態を維持したまま余剰電力を蓄電装置に供給して充電し、要求負荷が増加した場合、燃料電池の出力を増大させて要求負荷に対応する発電電力を出力する技術が開示されている。

特開２００６−２１０１００号公報

上述したように、燃料電池に生じた余剰電力を発熱ヒータで処理する技術が実用に供されているが、燃料電池に発熱ヒータを追加的に組み込むと、コスト高となる虞があり、また、燃料電池の発電効率を重視するあまり余剰電力を発熱ヒータで無駄に消費すると、省エネルギー性に欠けるという問題がある。

そこで、引用例１の電源装置のように、燃料電池で生じた余剰電力を発熱ヒータ等で消費せずに蓄電装置に充電する技術も提案されているが、この蓄電装置は、燃料電池と共に電源装置に内蔵されて一体的に構成されているので、余剰電力の充電先が限定されてしまう上、燃料電池と蓄電装置とを一体的に構成すると構造が複雑化しコストが増加するという問題がある。

本発明の目的は、燃料電池の余剰電力を低コストで処理可能な燃料電池発電システムを提供すること、燃料電池に余剰電力が生じた際に外部蓄電池に供給可能な燃料電池発電システムを提供すること、燃料電池の発電電力が不足した際に外部蓄電池から蓄電電力が供給される燃料電池発電システムを提供すること、等である。

請求項１の燃料電池発電システムは、電気化学反応によって発電を行う燃料電池を備えた燃料電池発電システムにおいて、前記燃料電池に外部へ電力を出力する為のコンセントを設け、前記燃料電池の発電電力を最高効率点又はその近傍に設定して運転し、その燃料電池の発電電力に余剰電力が生じた際に、前記コンセントを介して前記余剰電力を外部蓄電手段に供給可能となり、前記燃料電池の発電電力に余剰電力が無い場合には、前記コンセントに電力を供給しないように構成され、前記燃料電池の発電電力を前記コンセントを介して前記外部蓄電手段以外の外部負荷に供給可能に設定する切換手段を設け、この切換手段が外部負荷側に切り換えられた場合、常時前記コンセントに電力供給を行うことを特徴としている。

請求項２の燃料電池発電システムは、請求項１の発明において、前記燃料電池の発電電力が不足した際に前記外部蓄電手段から前記コンセントを介して蓄電電力が供給されるように構成したことを特徴としている。

請求項１の発明によれば、燃料電池に外部へ電力を出力する為のコンセントを設け、燃料電池の発電電力を最高効率点又はその近傍に設定して運転し、その燃料電池の発電電力に余剰電力が生じた際に、コンセントを介して余剰電力を外部蓄電手段に供給可能となり、燃料電池の発電電力に余剰電力が無い場合には、コンセントに電力を供給しないように構成したので、コンセントに外部蓄電手段が接続されている場合、燃料電池の出力状態を高効率出力状態に維持しつつ、余剰電力を外部蓄電手段に供給して充電することができる。

従って、外部蓄電手段に対して余剰電力を有効に活用することができるので、燃料電池の発電効率を低下させず且つ余剰電力の無駄な消費を抑えることで、燃料電池の運転コストを低減することができる。燃料電池の余剰電力の処理の為のコンセントを設けることで、燃料電池に発熱ヒータや蓄電池等を一体的に組み込む必要がなくなるので、燃料電池の製作コストを低減することができる。
そして、燃料電池の発電電力をコンセントを介して外部蓄電手段以外の外部負荷に供給可能に設定する切換手段を設け、この切換手段が外部負荷側に切り換えられた場合、常時コンセントに電力供給を行うので、切換手段を切り換えることで、このコンセントを通常のコンセントとしても活用することができる。

請求項２の発明によれば、燃料電池の発電電力が不足した際に外部蓄電手段からコンセントを介して蓄電電力が供給されるように構成したので、燃料電池に供給された蓄電電力によって発電電力の不足を賄うことができる。

本発明の実施例に係る燃料電池発電システムを一般住宅に適用した概略構成図である。 燃料電池の発電電力と発電効率の関係を示す線図である。

以下、本発明を実施するための形態について実施例に基づいて説明する。

先ずは、本発明の燃料電池発電システム１０を一般住宅１に適用した概略構成図について説明する。
図１に示すように、一般住宅１には、漏電遮断器や配線用遮断器等を備えた分電盤２が設置され、この分電盤２に系統電源３から電源線３ａを介して商用電力が供給されている。電源線３ａには、家庭内の使用電力を測定する為の電力量計４が設置されている。

分電盤２には、一般住宅１内外に設置された複数のコンセント５が配線５ａを介して夫々接続されている。家庭用電化製品等の家庭内負荷６がプラグ６ａを介してコンセント５に接続されている場合、分電盤２に供給された商用電力は、コンセント５を介して家庭内負荷６に供給される。

次に、燃料電池発電システム１０について説明する。
図１に示すように、燃料電池発電システム１０は、電気化学反応によって発電を行う燃料電池１１を備えている。この燃料電池１１は、一般住宅１の外部に設置されている。分電盤２又はその近傍に電源線３ａを流れる電流を監視可能な変流器（ＣＴ）７が設置されている。この変流器７は、計測された電流値を信号配線７ａを介して燃料電池発電システム１０に送信する。

図１に示すように、燃料電池１１は、燃料電池発電モジュール１２、この燃料電池発電モジュール１２に空気、燃料ガス、純水等を供給する為の各種の供給装置（図示略）、燃料電池発電モジュール１２から排出される排気ガスの排熱を回収する為の排熱回収装置（図示略）、燃料電池発電モジュール１２の出力を調整する為のパワーコンディショナユニット１３、これら各種装置を制御する為の制御ユニット１４等を備え、これらは外装ケース１５に収納されて構成されている。

燃料電池発電モジュール１２は、複数の燃料電池セルで構成された燃料電池セルスタック、燃料ガスに混合する為の水蒸気を生成する蒸発器、燃料ガスと空気と水蒸気とを混合して反応（所謂、水蒸気改質）させて改質燃料ガスを生成する燃料改質器、燃料電池セルスタックによる発電に伴い生じる残余燃料ガスを燃焼処理するオフガス燃焼室等を備え、燃料改質器によって改質された改質燃料ガス及び酸化剤としての空気を燃料電池セルスタックで高温の環境下で化学反応させることで発電を行うものである。

パワーコンディショナユニット１３は、燃料電池発電モジュール１２にて発電された直流電力を、家庭内で通常利用可能な１００Ｖの交流電力に変換して、外装ケース１５に設置された発電出力端子１６から配線１６ａを介して分電盤２に出力するものである。

次に、燃料電池１１の発電出力と発電効率の関係について説明する。
図２に示すように、燃料電池１１の発電効率は、燃料電池１１の発電電力に応じて変動する。本実施例の燃料電池１１は、最大発電量は７００Ｗに設定され、この最大発電量に対応する発電効率が約５０％（最高効率点）となるように構成されている。即ち、制御ユニット１４は、燃料電池１１の発電電力を最高効率点又はその近傍に設定して運転し、発電出力として５００Ｗ〜７００Ｗ程度が分電盤２に出力されるように制御するのが望ましい。

次に、本願特有のコンセント２０について説明する。
図１に示すように、燃料電池１１は、外部へ電力を出力する為のコンセント２０を備えている。コンセント２０は、一般住宅１の内部又は外部に設置され、配線２０ａ及び外装ケース１５に設置された余剰電力出力端子１７を介してパワーコンディショナユニット１３に接続されている。このコンセント２０は、主に外部蓄電池２１が接続されている。

燃料電池１１は、制御ユニット１４によってその最高効率点又はその近傍に設定して運転され、その燃料電池１１の発電電力に余剰電力が生じた際に、パワーコンディショナユニット１３から家庭内負荷６に対応する発電電力を分電盤２に供給しながら、コンセント２０を介して余剰電力を外部蓄電池２１に供給可能となり、燃料電池１１の発電電力に余剰電力が無い場合には、コンセント２０に電力を供給しないように構成されている。

外部蓄電池２１（外部蓄電手段に相当する）は、例えば、電気自動車や電動自転車等の電動機付き移動体に内蔵された蓄電池であり、リチウムイオン二次電池、ニッケル・水素充電池、ニッケル・カドミウム蓄電池等で構成されている。外部蓄電池２１から延びる充電プラグ２１ａをコンセント２０に接続していると、燃料電池１１に余剰電力が生じた際に余剰電力が供給される。

また、燃料電池１１は、その発電電力が不足した際に外部蓄電池２１からコンセント２０を介して蓄電電力が供給されるように構成されている。家庭内負荷６が最大発電電力を超えた場合、制御ユニット１４は、燃料電池１１の出力状態を維持したまま、外部蓄電池２１の蓄電電力をパワーコンディショナユニット１３に供給するように制御し、燃料電池１１の不足分の発電電力を賄う。

次に、切換スイッチ２３について説明する。
図１に示すように、燃料電池１１は、その発電電力をコンセント２０を介して外部蓄電池２１以外の外部負荷に供給可能に設定する切換スイッチ２３（切換手段に相当する）を備え、この切換スイッチ２３が外部負荷側に切り換えられた場合、常時コンセント２０に電力供給を行う。切換スイッチ２３は、外装ケース１５に設置され、パワーコンディショナユニット１３に接続されている。切換スイッチ２３は、発電電力を常時コンセント２０に供給する通常用モードと、燃料電池１１に余剰電力が生じた際にのみコンセント２０に余剰電力を供給する充電用モードとを手動で択一的に切換え可能に構成されている。

コンセント２０に外部蓄電池２１が接続されている場合、切換スイッチ２３は充電用モードに設定されているが、コンセント２０に外部蓄電池２１以外の外部負荷（例えば、家庭用電化製品等の家庭内負荷６）が接続された場合、切換スイッチ２３を通常用モードに切り換えることで、このコンセント２０を通常のコンセントとしても使用可能である。

次に、本発明の燃料電池発電システム１０の作用及び効果について説明する。
燃料電池発電システム１０において、制御ユニット１４は、燃料電池１１の発電電力を最高効率点又はその近傍に設定して運転するので、図２に示すように、パワーコンディショナユニット１３から５００Ｗ〜７００Ｗ程度の発電電力が分電盤２に出力される。家庭内負荷６が５００Ｗ〜７００Ｗ程度の場合、発電電力の大部分は、分電盤２を介して各家庭内負荷６に夫々供給されて消費される。

ところで、家庭内負荷６が例えば５００Ｗ以下に低下した状態で、燃料電池１１の発電電力を最高効率点又はその近傍に設定した運転状態を維持すると、燃料電池１１の発電電力に余剰電力が生じてしまう。変流器７が余剰電力を検知して制御ユニット１４に検知信号を送信すると、制御ユニット１４は、パワーコンディショナユニット１３の出力を制御して、余剰電力をコンセント２０に供給して、外部蓄電池２１を充電することで、余剰電力を処理することができるので、余剰電力が系統電源３に逆流してしまうのを防止することができる。例えば、コンセント２０に、蓄電池を搭載した電気自動車の充電プラグを接続していると、余剰電力を利用して効率良く電気自動車の充電が可能となる。

また、家庭内負荷６が例えば７００Ｗ以上に増加した状態では、燃料電池１１の発電電力に不足が生じてしまう。従来では、家庭内負荷６が燃料電池１１の発電電力を超えた場合、不足した電力は系統電源３から供給されていたが、本発明では、変流器７が不足電力を検知して制御ユニット１４に検知信号を送信し、制御ユニット１４が、パワーコンディショナユニット１３を制御して、外部蓄電池２１から蓄電電力が供給されるように切換えることで、不足分の発電電力を蓄電電力で賄うことができる。

以上説明したように、燃料電池１１に外部へ電力を出力する為のコンセント２０を設け、燃料電池１１の発電電力を最高効率点又はその近傍に設定して運転し、その燃料電池１１の発電電力に余剰電力が生じた際に、コンセント２０を介して余剰電力を外部蓄電池２１に供給可能となり、燃料電池１１の発電電力に余剰電力が無い場合には、コンセント２０に電力を供給しないように構成したので、コンセント２０に外部蓄電池２１が接続されている場合、燃料電池１１の出力状態を高効率出力状態に維持しつつ、余剰電力を外部蓄電池２１に供給して充電することができる。

従って、外部蓄電池２１に対して余剰電力を有効に活用することができるので、燃料電池１１の発電効率を低下させず且つ余剰電力の無駄な消費を抑えることで、燃料電池１１の運転コストを低減することができる。燃料電池１１の余剰電力の処理の為のコンセント２０を設けることで、燃料電池１１に発熱ヒータや蓄電池等を一体的に組み込む必要がなくなるので、燃料電池１１の製作コストを低減することができる。

また、燃料電池１１の発電電力が不足した際に外部蓄電池２１からコンセント２０を介して蓄電電力が供給されるように構成したので、燃料電池１１に供給された蓄電電力によって発電電力の不足を賄うことができる。

さらに、燃料電池１１の発電電力をコンセント２０を介して外部蓄電池２１以外の外部負荷に供給可能に設定する切換スイッチ２３を設け、この切換スイッチ２３が外部負荷側に切り換えられた場合、常時コンセント２０に電力供給を行うこので、切換スイッチ２３を切り換えることで、このコンセント２０を通常のコンセントとしても活用することができる。

次に、前記実施例を部分的に変更した形態について説明する。
［１］前記実施例において、燃料電池１１の発電電力や発電効率の値は、ほんの一例を示したに過ぎず、燃料電池１１が最大発電電力付近で発電効率が最も高くなるように構成されていれば、発電電力や発電効率の値は適宜変更可能である。

［２］その他、当業者であれば、本発明の趣旨を逸脱することなく、前記実施例に種々の変更を付加した形態で実施可能であり、本発明はそのような変更形態を包含するものである。

１０ 燃料電池発電システム
１１ 燃料電池
２０ コンセント
２１ 外部蓄電池
２３ 切換スイッチ

Claims (2)

1. 電気化学反応によって発電を行う燃料電池を備えた燃料電池発電システムにおいて、
   前記燃料電池に外部へ電力を出力する為のコンセントを設け、
   前記燃料電池の発電電力を最高効率点又はその近傍に設定して運転し、その燃料電池の発電電力に余剰電力が生じた際に、前記コンセントを介して前記余剰電力を外部蓄電手段に供給可能となり、前記燃料電池の発電電力に余剰電力が無い場合には、前記コンセントに電力を供給しないように構成され、
   前記燃料電池の発電電力を前記コンセントを介して前記外部蓄電手段以外の外部負荷に供給可能に設定する切換手段を設け、この切換手段が外部負荷側に切り換えられた場合、常時前記コンセントに電力供給を行うことを特徴とする燃料電池発電システム。
2. 前記燃料電池の発電電力が不足した際に前記外部蓄電手段から前記コンセントを介して蓄電電力が供給されるように構成したことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池発電システム。