JP6902690B2 - パッケージ形の燃料電池発電装置 - Google Patents

Description

本発明は、水素ガスを燃料として用いるパッケージ形の燃料電池発電装置に関するものである。

近年、ＮＯＸやＳＯＸ等の有害物質を発生することなく大気汚染や二酸化炭素による地球温暖化の問題に対策を講じることができる点、低騒音で運転可能な点から、燃料電池を用いた発電装置が注目されている。この燃料電池発電装置は、燃料の有している化学エネルギーを直接電気に変換するシステムで、とくに水素ガスを燃料とする燃料電池発電装置は、地球上に無尽蔵に存在する水や化合物から精製でき、高いエネルギー効率を可能し、電気に変換する際にＣＯ２や有害物質を排出しないという優れた特徴を有している。さらに、水素ガスは、液化水素に比べて低コストなため、高圧水素ガスをボンベに充填して安価に水素ガスを供給できるオフサイトステーション型の燃料電池発電装置が実用化されている。

このような水素ガスを燃料とした燃料電池発電装置として、例えば、特許文献１に記載されたパッケージ形の燃料電池発電装置が知られている。これらのパッケージ形の燃料電池発電装置は、発電に必要な構成機器や補機類をパッケージの内部に収納し、需要地に配置するだけで発電装置を稼働でき、据付が容易な構造となっている。また、特許文献２には、構成機器を分割して、分割した両者間に配線や配管を接続することで、可搬性を向上させた燃料電池システムが提案されている。

特開平８−３１４３６号公報 特開２００２−２０３５８４号公報

しかしながら、上記特許文献１に記載された燃料電池発電装置は、水素ガスボンベの交換やメンテナンスにおいて着目されておらず、未だ改良の余地が残るものであった。また、特許文献２に記載された燃料電池発電装置は、可搬性を求めるため、装置の堅牢性が低下し、恒久的に使用できるものではなかった。また実用化されているパッケージ形の燃料電池発電装置は、燃料自体をパッケージ内部に密閉搭載されており、燃料の交換に労力を要する。

上記の問題点に鑑み本発明者らは、需要地での設置性に優れ、燃料の交換を容易に行える水素ガスを燃料として用いるパッケージ形の燃料電池発電装置を提供するに至った。

このため本発明の燃料電池発電装置は、屋外等に独立して設置され、水素ガスを燃料として発電するパッケージ形の燃料電池発電装置であって、パッケージ内に、複数の水素ガスボンベと、複数の水素ガスボンベが連結されるカードルと、該カードルを介して供給された水素の流量及び圧力を調整する水素発生機器と、該水素発生機器から供給される水素と空気を反応させて発電する発電ユニットと、該発電ユニットで発電された電力を外部へ送電可能とする配電盤を備え、前記パッケージ内が、前記水素ガスボンベが設置される貯蔵室と、前記水素発生機器、前記発電ユニット、前記配電盤が設置される機器室に区画されるとともに、前記貯蔵室に外部から開閉可能な扉が設けられ、前記貯蔵室に床面が設けられていないことを第一の特徴とする。

また、記水素発生機器が、水素の流量及び／又は圧力を制御する水素ガス調節弁と、水素ガスの流路をＯＮ−ＯＦＦする遮断弁と、これらの作動を制御する制御装置を備えたことを第二の特徴とする。

さらに、前記制御装置が、タイマ機能を有し、あらかじめ設定された時刻に基づき、水素ガス調節弁を作動させるよう構成されたことを第三の特徴とする。

本発明に係る燃料電池発電装置によれば、下記の効果を有する。
（１）水素ガスボンベが設置される貯蔵室と機器類が設置される機器室に区画され、貯蔵室を外部からの開閉扉によって開閉できるため、水素ガスボンベの交換作業が容易に行える。また、交換時に機器等に衝突、もしくは接触することを防止でき、安全性を向上させる。
（２）貯蔵室に床面を設けず、水素ガスボンベを地面に直接設置される構造としているため、車台等で運搬した水素ガスボンベを持ち上げることなく交換できる。
（３）需要地に設置する際に、基礎工事などが不要なため、短期間かつ低コストで設置できる。
（４）水素ガスの流路に遮断弁を設けているため、水素ガスボンベの交換作業時に水素が漏出することを防ぐことができる。
（５）タイマ機能を有し、時限的に発電を制御できるため、タイマ設定を行うだけで計画的に発電を行うことができる。

本発明に係るパッケージ形燃料電池発電装置１を示す斜視図である。 図１の平面図である。 図１に示すパッケージ形燃料電池発電装置１の水素ガスの流量制御を説明するフローチャートである。

以下、本発明に係るパッケージ形燃料電池発電装置１について、各図面を参照しながら説明するが、本発明が本実施例に限定されないことは言うまでもない。図１は、本発明に係るパッケージ形燃料電池発電装置１を示す斜視図、図２は図１の平面図、図３は図１に示すパッケージ形燃料電池発電装置１の水素ガスの流量制御を説明するフローチャートである。本発明に係るパッケージ形燃料電池発電装置１は、図１に示すように、屋外等に独立して設置されるオフサイトステーション型の燃料電池発電装置である。

パッケージ形燃料電池発電装置１の外装は、複数連結された金属製の屋根付筐体を、地面に配置された金属製の支持ベース１９に載置して構成されている。パッケージ形燃料電池発電装置１の側面には、複数の開閉扉１１，１２が設けられている。各開閉扉１１，１２の上部には、複数の換気口１５と換気扇（図示せず）が設けられており、パッケージ形燃料電池発電装置１内に水素ガスが滞留しないよう構成されている。

パッケージ形燃料電池発電装置１内は、図２に示すように、壁体１６により両側面に設けられた貯蔵室１３と機器室１４に区画されており、貯蔵室１３には複数の水素ガスボンベ２が、機器室１４には水素発生機器３、発電ユニット４、及び配電盤５が収納されている。パッケージ形燃料電池発電装置１は、水素ガスボンベ２内の水素ガスを水素発生機器３で適正な流量及び圧力に変換して発電ユニット４へ送り、発電ユニット４で大気中の酸素と水素ガスを反応させて発電し、発電された電力を配電盤５から外部へ送電可能に構成されている。

水素ガスボンベ２は、金属製の筒体で、圧力が１４．７ＭＰａに高圧圧縮された水素ガスが充填されており、可搬可能な燃料電池の燃料として一般的に使用されるものである。本実施例においては、この水素ガスボンベ２が、各貯蔵室１３内に９本ずつ、すなわちパッケージ形燃料電池発電装置１内に二系統分で合計１８本収納されている。複数の水素ガスボンベ２は、配管２２ａと着脱自在に接続されており、開閉扉１１を開閉し、使用済みの水素ガスボンベ２自体を交換可能とされている。尚、水素ガスボンベ２の底面、すなわち貯蔵室１３の底面には床材が設けられておらず、半屋外構造とされており、台車等で運搬された水素ガスボンベ２を持ちあげることなく容易に交換できる。

各水素ガスボンベ２に接続された配管２２ａは、集合し各配管２２ａのシリンダーを集結させた、いわゆるカードル２１に接続されている。カードル２１と水素発生機器３間は、配管２２ｂで接続されており、二系統の水素ガスが水素発生機器３へ供給されている。

水素発生機器３は、図２に示すように、水素ガス調整弁３１と遮断弁３２と制御装置（図示せず）から構成されている。水素発生機器３は、配管２２及びカードル２１を介して接続された複数の水素ガスボンベ２から水素ガスを取り入れ、この水素ガスを発電に最適な流量及び圧力に調整する役割を担う。そのため制御装置には、効率良く発電するための適切な水素ガスの流量及び圧力を発電ユニット４へ常時供給できるよう、水素ガス調整弁３１から流量情報をフィードバックして水素ガスの流量及び圧力を制御する制御ソフトウェアが搭載されている。

水素ガス調整弁３１は、水素ガスの流量を計測するとともに、効率良く発電するための適切な水素ガスの流量及び圧力に調節するものである。計測した流量は、接続された通信ケーブル（図示せず）を介して制御装置へ送信される。また、接続された通信ケーブル（図示せず）を介して、制御装置からの流量指示を受信して流量及び圧力を調節する。

遮断弁３２は、内蔵された電磁弁の開閉により発電ユニット４への水素ガスの供給を遮断する役割を担う。遮断弁３２は、制御装置と通信ケーブルを介して接続されており、制御装置から開閉指令を受信して作動するよう構成されている。例えば、水素ガスボンベ２を交換作業時に、当該系統の遮断弁３２を閉じ、別系統からの水素漏洩を防止することができる。

制御装置は、タイマ機能を有する制御ソフトウェアを備えており、あらかじめ設定した流量調節開始又は流量調節終了の指定時間に基づき、及び／又は発電に適切な流量を演算し、水素ガス調整弁３１を制御して水素ガスの流量を調整する。より具体的には、図３に示すステップにより水素ガスの流量制御を行う。まず、流量調節を開始する指定時間であるか否かを判断（ステップＳ１）し、指定時間であれば、水素ガス調整弁３１へ流量調節の指示を送信（ステップＳ２）し、指定時間でなければ（ステップＳ１でＮ）、流量調節を終了する指定時間か否かを判断（ステップＳ３）、指定時間であれば、水素ガス調整弁３１へ流量調節を戻すよう指示を送信（ステップＳ４）する。したがって、例えば夜間の水素ガス流量を昼間より減じ、発電量自体を減ずることが可能となる。

発電ユニット４は、水素発生機器３から供給された水素ガスに、パッケージ形燃料電池発電装置１中及び／又は外気中の空気を反応させて電力を生成する。発電ユニット４は、例えば、高分子型の燃料電池スタック、燃料電池に空気を送る空気ブロワー、発電された電圧を調整するコンバーター、燃料電池スタックで発生した熱を放出するラジエーター、電力の取り出しケーブル等のほか、これらの機器の動作を制御するための制御装置や操作パネルとその電源となる内蔵バッテリー等が搭載され、水素と空気を反応させて電力を生成することができれば良く、その装置構成はとくに限定されるものではない。発電ユニット４に操作パネルが搭載されている場合は、その操作面が開閉扉１２を開いた際にパッケージ形燃料電池発電装置１の外部から操作できる位置に設けられることが好ましい。

配電盤５は、発電ユニット４と電気ケーブル等を介して電気的に接続されており、生成された電力をパッケージ形燃料電池発電装置１の外部へ送電する。そのため配電盤５は、少なくとも、発電ユニット４から送電された直流電流を交流電流に変換するインバーター回路、外部機器が接続可能な１００Ｖ及び／又は２００Ｖのコンセント、パッケージ形燃料電池発電装置１内の換気扇を制御する制御装置等を備えていることが好ましい。また、パッケージ形燃料電池発電装置１内に水素が漏出した場合に、発電ユニット４の運転を停止できるよう水素検知手段や、検知された水素濃度に基づきパッケージ形燃料電池発電装置１の運転停止指令を送信する回路等が設けられていることがより好ましい。

以上の構成からなる本発明のパッケージ形燃料電池発電装置１は、建屋構造物に代わるパッケージ内に機器を据え付けるため、建屋構造の基礎工事は不要で需要地での設置性に優れる。また、パッケージ内を貯蔵室１３と機器室１４の空間に区画し、貯蔵室１３内に床材を設けず半屋外構造としているため、水素ガスボンベ２を床上に持ち上げることなく交換を容易に行うことができる。

１ パッケージ形燃料電池発電装置
２ 水素ガスボンベ
３ 水素発生機器
４ 発電ユニット
５ 配電盤
１１，１２ 開閉扉
１３ 貯蔵室
１４ 機器室
１５ 換気口
１６ 壁体
１９ 支持ベース
２１ カードル
２２ 配管
３１ 水素ガス調整弁
３２ 遮断弁

Claims (3)

1. 屋外等に独立して設置され、水素ガスを燃料として発電するパッケージ形の燃料電池発電装置であって、地面に配置された支持ベースに載置されたパッケージ内に、複数の水素ガスボンベと、複数の水素ガスボンベが連結されるカードルと、該カードルを介して供給された水素の流量及び圧力を調整する水素発生機器と、該水素発生機器から供給される水素と空気を反応させて発電する発電ユニットと、該発電ユニットで発電された電力を外部へ送電可能とする配電盤を備え、前記パッケージ内が、前記水素ガスボンベが設置される貯蔵室と、前記水素発生機器、前記発電ユニット、前記配電盤が設置される機器室に区画されるとともに、前記機器室に複数の開閉扉が設けられ、前記貯蔵室に外部から開閉可能な扉が設けられ、前記貯蔵室に床面が設けられていないことを特徴とするパッケージ形の燃料電池発電装置。
2. 前記水素発生機器が、水素の流量及び／又は圧力を制御する水素ガス調節弁と、水素ガスの流路をＯＮ−ＯＦＦする遮断弁と、これらの作動を制御する制御装置を備えたことを特徴とする請求項１に記載のパッケージ形の燃料電池発電装置。
3. 前記制御装置が、タイマ機能を有し、あらかじめ設定された時刻に基づき、水素ガス調節弁を作動させるよう構成されたことを特徴とする請求項２に記載のパッケージ形の燃料電池発電装置。

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