JPH11185786A - 燃料電池発電システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】民生負荷に対して十分に対応できる特性を備え
た燃料電池発電システムを提供する。 【解決手段】燃料電池本体２８に発電動作を行わせるの
に必要なバルブ２２，２９、ポンプ２４、ブロア３１等
の要素を商用電源３７を使って駆動する駆動制御装置３
５を備えている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、燃料電池発電シス
テムに係り、特に民生用の条件を満たすことができるよ
うにした燃料電池発電システムに関する。

【０００２】

【従来の技術】周知のように、燃料電池発電システム
は、その効率の良さから近年注目を集めている。この燃
料電池発電システムは、通常、水素リッチな燃料と酸素
とを用いて電気を発生させる燃料電池本体と、天然ガス
などの化石燃料から水素リッチな燃料を生成する燃料改
質系とから構成されている。

【０００３】燃料電池発電システムは、一般的に発電所
の補助、すなわち分散型発電システムもしくは類似の地
域冷暖房システム用発電システムの位置づけにあるた
め、発電出力が２００ｋＷ程度のものでも火力発電所と
同等の３８％程度以上の発電効率であることが望まれ
る。そして、最近では、燃料電池本体に用いる電解質と
して固体高分子膜を用いるものが考えられている。この
固体高分子型の燃料電池は、従来のリン酸型のものに比
べて燃料電池本体の動作温度が１００℃以下と低い。し
たがって、この燃料電池発電システムを店舗、家庭、マ
ンション、中小規模ビル等の民生用として使用できる可
能性が高まってきた。

【０００４】図１６には電解質として固体高分子膜を用
いた従来の燃料電池発電システムの概略構成が示されて
いる。この燃料電池発電システムでは、化石燃料である
天然ガス１とポンプ２を介して供給された水蒸気３とを
改質器４に導入し、この改質器４で水素リッチな燃料ガ
ス５に改質している。改質器４での改質に必要な熱エネ
ルギは、天然ガス１の一部を燃焼器６において燃焼させ
た燃焼ガスから得ている。

【０００５】生成された水素リッチな燃料ガス５は燃料
電池本体８の燃料ガス通路へと供給される。一方、改質
器４から排出された燃焼ガス７は排熱回収ボイラ９を通
り、その間にポンプ２を介して供給された水を加熱して
水蒸気３を発生させた後にガスタービン１０の駆動に供
される。ガスタービン１０にはブロア１１が直結されて
おり、このブロア１１によって空気（酸素）が燃料電池
本体８の酸化剤ガス通路へと供給される。燃料ガス及び
酸化剤ガスの供給によって燃料電池本体８が発電を開始
すると、その出力は電力変換系１２によって交流に変換
された後に負荷１３に供給される。

【０００６】図１７には、この燃料電池発電システムを
地域冷暖房用へ応用した例の系統図が示されている。上
記の構成から判るように、従来の燃料電池発電システム
では、３８％以上という高い発電効率を達成するため
に、改質器４からの排熱でガスタービン１０を回し、そ
の発生動力でブロワ１１を駆動する方式を採用してい
る。なお、その他の要素の駆動には、燃料電池本体８が
発生する電力の一部をバッテリに貯えておき、このバッ
テリの出力を用いるようにしている。

【０００７】ところで、民生用発電システムでは、一般
的な分散型発電システムとは異なり、コンパクト化及び
低コスト化が要求されるばかりか、次のような特徴的な
稼働パターンを考慮する必要がある。

【０００８】(1) 民生用発電負荷は、変動が多く、また
発電開始、停止を含め、その変動幅も大きい。特に、発
電開始、停止の回数が多いので、素早い起動、停止特性
が要求される。

【０００９】(2) 民生用発電システムの場合、分散型発
電システムとは異なり、運転管理者の常駐によるシステ
ム運営、管理が困難である。 (3) 電気料金単価に対する天然ガス（通常は都市ガス）
の料金単価低減の割合が小さい。

【００１０】(4) 空気調和装置のみを負荷とした場合、
サーモオフ・オン制御が行われると、発電開始、停止の
繰り返しが長時間に亘って継続される。 このような特有の稼働パターンを備えているので、図１
６に示した燃料電池発電システムをそのままの形で民生
用として用いても次のような不具合を招くことになる。

【００１１】(1) システムの複雑さとは裏腹に、規模の
減少に伴いガスタービン１０の効率と稼働性とが低下
し、ガスタービンシステム部分のコストパフォーマンス
が著しく悪化すること。

【００１２】(2) ガス料金単価低減率が小さいため、シ
ステムの経済性を悪化させること。 (3) 燃料電池の起動特性は、燃料改質系の昇温特性と、
ポンプ、ブロワ等の制御機器の起動特性との和で表され
る。ガスタービン１０は起動に時間を要するので、ガス
タービン１０の使用は民生用負荷への追従性を不十分な
ものとする。また、定常状態からの変化に対しても、ガ
スタービン１０の能力可変幅が小さいこと、制御機器の
動作と燃料電池本体の発電動作とが連動しているため、
システム全体のバランスをとりながら発電出力を変化さ
せていかなければならないこと、などの理由から負荷変
動に対する追従性が悪いこと。

【００１３】(4) 軽負荷への対応性はガスタービン１０
の能力可変幅に依存するため、大きな能力可変は不可能
となる。また、ガスタービン１０の能力可変幅内であっ
ても、軽負荷対応を継続すると、燃料電池本体８が高電
圧状態にさらされる時間が長くなり、燃料電池本体８で
使用している触媒の劣化を招くこと。

【００１４】

【発明が解決しようとする課題】上述の如く、従来の燃
料電池発電システムにあっては、民生用に適用した場合
には、システム全体の経済効率が悪いこと、民生負荷特
有の大幅な負荷変動に出力を追従させることが困難であ
ること、軽負荷に対応させることが困難であることなど
の問題があった。そこで本発明は、上述した不具合を解
消でき、民生負荷に対して十分に対応できる特性を備え
た燃料電池発電システムを提供することを目的としてい
る。

【００１５】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、請求項１に係る燃料電池発電システムでは、燃料電
池本体に発電動作を行わせるのに必要な要素を商用電源
を使って駆動する駆動制御系を備えていることを特徴と
している。

【００１６】なお、請求項１に係る燃料電池発電システ
ムにおいて、前記駆動制御系は、前記燃料電池本体から
電力供給を受ける負荷の状態に応じて該負荷に前記燃料
電池本体の発生電力に重畳させて商用電源電力を供給す
る機能を備えていることが好ましく、加えて前記燃料電
池本体から負荷への電力供給開始時または軽負荷時に、
該負荷に対して商用電源電力のみを供給する機能を備え
ていればさらに好ましい。

【００１７】上記目的を達成するために、請求項４に係
る燃料電池発電システムでは、燃料改質系で生成された
水素リッチな燃料ガスを燃料電池本体に供給するように
したシステムにおいて、前記燃料改質系の排熱または前
記燃料改質系で改質に使う燃料と同じ燃料を燃焼させて
得た燃焼熱を使って発電する熱発電系と、システムを動
作させるのに必要な要素を前記熱発電系で得られた電力
を使って駆動する駆動制御系とを具備してなることを特
徴としている。

【００１８】なお、請求項４に係る燃料電池発電システ
ムにおいて、前記駆動制御系は、前記燃料電池本体から
電力供給を受ける負荷の状態に応じて該負荷に対して前
記燃料電池本体の発生電力に重畳させて前記熱発電系の
発生電力を供給する機能を備えていることが好ましく、
加えて前記燃料電池本体から負荷へ電力供給開始時また
は低負荷時に、該負荷に対して前記熱発電系の発生電力
のみを供給する機能を備えていればさらに好ましい。

【００１９】また、請求項１及び４に係る燃料電池発電
システムにおいて、前記燃料電池本体は、通常負荷用と
軽負荷用とに分離されていてもよい。請求項１および４
に係る燃料電池発電システムでは、運転時に、燃料電池
本体に発電動作を行わせるのに必要な要素（たとえばポ
ンプ、ブロワ、電池本体冷却用ポンプ等）を商用電源も
しくは熱発電系の発生電力で駆動する駆動制御系を備え
ている。

【００２０】したがって、従来のシステムで必要として
いたガスタービンシステムやバッテリを不要化でき、シ
ステムの大幅な小型化、低コスト化が可能になる。ま
た、上述した要素を燃料電池本体の発電とは非連動で制
御できるため、システムバランスをとりながらの緩やか
な発電開始、停止を行う従来のシステムとは違って、発
電開始、停止への対応性を改善することができる。すな
わち、燃料電池発電システムへの急激な燃料供給・停止
に伴う改質器内の燃料の急激な変化に対しても、常に改
質システム内の燃料／水蒸気割合を最適に保つようにポ
ンプを制御したり、燃料電池本体を速やかに冷却できる
ようにブロワを制御することができる。このことは、信
頼性の向上にもつながる。

【００２１】さらに、負荷変化に対する応答性は、前述
のように改質システムの応答性とシステムヘ燃料や空気
などを供給する要素（制御機器）の応答性との和で決ま
るが、ガスタービンシステムのように応答性の悪い要素
を用いることなく、商用電源もしくは熱発電系の発生電
力で駆動できる要素に代えることができるので、応答性
を改善することができる。

【００２２】また、前述の如くシステムの規模が小さく
なると従来のシステムではガスタービンの効率が著しく
低下する。一方、システムの規模が小さくなると、同一
熱量に対する電気とガス（燃料に使われる天然ガス）の
料金比が大型システムの場合に比べ小さくなる。このた
め、ガスタービンシステムに代えて商用電源もしくは熱
発電系の発生電力で駆動される要素を用いても経済性を
損なうことはない。特に、ゼーベック効果を利用した熱
発電系の場合、近年、注目されている傾斜機能化技術を
使用することにより、ガスタービンの２〜３倍の効率を
得ることができ、むしろ経済性を向上させることができ
る。

【００２３】なお、請求項２及び請求項５に係る燃料電
池発電システムのように、燃料電池本体から電力供給を
受ける負荷の状態に応じて該負荷に前記燃料電池本体の
発生電力に重畳させて商用電源電力もしくは熱発電系の
発生電力を供給する機能を備えていると、負荷変動に対
して容易に追従でき、また燃料電池本体でベース負荷を
分担するため、燃料電池本体の端子間電圧が急激に変動
するのを防止できるうえ、最大出力低下に伴う初期コス
トの低下と高稼働率により良好な経済性を得ることがで
きる。すなわち、従来の燃料電池発電システムでは、制
御機器の動作と燃料電池本体の発電動作とが連動してい
るため、システムバランスをとりながら負荷を変化させ
なければなず、このため発電条件との間にずれが生じて
電池電圧が急激に増減し、電池触媒の劣化を引き起こし
てしまう問題があった。しかし、商用電源電力もしくは
熱発電系の発生電力で駆動できる要素に代えることによ
って、上述した連動関係を絶つことができ、負荷変動に
対して容易に追従させることができる。

【００２４】また、請求項３及び請求項６に係る燃料電
池発電システムのように、燃料電池本体から負荷への電
力供給開始時（負荷側では起動開始時）または軽負荷時
に、該負荷に対して商用電源電力のみもしくは熱発電系
の発生電力のみを供給する機能を備えていると、発電開
始特性を大幅に改善することができる。すなわち、従来
の燃料電池発電システムにおいて、システムを起動させ
るには、改質システムを所定温度（７００℃）まで昇温
させた後、ガスタービンを所定状態まで立ち上げなけれ
ばならず、かなりの時間を必要とする。また、起動時間
短縮のために燃料電池発電システム全体を待機状態にし
ておくことは、不規則な起動が予想される民生用負荷に
対してはかなりの効率低下を招く。また、低負荷対応を
長時間継続すると、燃料電池本体の端子間電圧が高い状
態が続き、触媒の劣化を引き起こす。そこで、発電開始
時（負荷側では起動時）や軽負荷時には、商用電源電力
もしくは熱発電系の発生電力で対処することにより、軽
負荷時における電池本体の電圧上昇を防ぎ、また起動特
性を改善することができる。さらに、熱発電系の場合に
は、応答性が良く、また発電出力を絞ることができるた
め、最小状態で待機することが可能であり、効率低下を
抑制できる。

【００２５】なお、熱発電系への熱入力として改質系か
らの排熱を用いることにより、システム効率の向上を図
ることができる。さらに、請求項７に係る燃料電池発電
システムのように、燃料電池本体を通常負荷用と軽負荷
用とに分離しておくと、１つの電池が受け持つ負荷の変
動幅を小さくすることができ、電池の信頼性を高めるこ
とができる。すなわち、燃料電池は、通常、設計発電出
力に対し設計発電電圧を持つため、負荷の増減は電池で
の発電電圧の増減に対応する。１つの電池が受け持つ負
荷の変動幅が大きくなると、電池の出力電圧が大きく変
化し、電池触媒の劣化を引き起こす。しかし、燃料電池
本体を通常負荷用と軽負荷用に分離しておくと、１つの
電池が受け持つ負荷の変動幅を小さくすることができ
る。したがって、システムの信頼性を高めることができ
る。

【００２６】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照しながら発明の
実施形態を説明する。図１には本発明の第１の実施形態
に係る燃料電池発電システム、ここには電解質として固
体高分子膜を用いる燃料電池発電システムに本発明を適
用した例の概略構成が示されている。

【００２７】この燃料電池発電システムでは、化石燃料
である天然ガス２１がバルブ２２を介して改質器２３に
導入されるとともにポンプ２４、加熱器２５を介して水
蒸気２６が改質器２３に導入され、この改質器２３によ
って天然ガス２１が水素リッチな燃料ガス２７に改質さ
れる。生成された水素リッチな燃料ガス２７は燃料電池
本体２８の燃料ガス通路へと供給される。なお、改質器
２３での改質に必要な熱エネルギは、発電開始時におい
ては天然ガス２１の一部をバルブ２９を介して燃焼器３
０に導いて燃焼させた燃焼ガスから得ており、発電開始
後においては燃料電池本体２８の燃料ガス通路から排出
された未使用の燃料ガス２７を燃焼器３０に導いて燃焼
させた燃焼ガスからも得ている。一方、燃料電池本体２
８の酸化剤ガス通路にはブロア３１を介して酸化剤ガス
（空気）３２が供給される。

【００２８】燃料ガス２７及び酸化剤ガス３２の供給に
よって燃料電池本体２８が発電を開始すると、その出力
はインバータ等の電力変換系３３によって交流に変換さ
れた後に負荷３４に供給される。

【００２９】この例に係る燃料電池発電システムには駆
動制御装置３５が設けてあり、この駆動制御装置３５は
負荷要求３６にしたがって商用電源３７を用いて前述し
たバルブ２２，２９、加熱器２５、燃焼器３０、ポンプ
２４、ブロア３１、つまり燃料電池本体２８を動作させ
るのに必要な要素を予め定められたパターンに駆動する
ようにしている。

【００３０】すなわち、起動指令が駆動制御装置３５に
与えられると、駆動制御装置３５はまずバルブ２９を開
（このときバルブ２２は閉に保たれている）にし、燃焼
器３０を動作させて改質器２３を所定の温度（７００
℃）に昇温させる。その後、バルブ２９を閉、バルブ２
２を開にし、さらにポンプ２４、加熱器２５を動作させ
て天然ガス２１と水蒸気２６とを改質器２３に供給す
る。同時にブロア３１を動作開始させる。

【００３１】改質器２３で生成された水素リッチな燃料
ガス２７は燃料電池本体２８の燃料ガス通路に供給さ
れ、ブロア３１から押し出された酸化剤ガスは燃料電池
本体２８の酸化剤ガス通路に供給される。供給された燃
料ガス２７は、燃料電池本体２８内において触媒存在下
で電解質を介して空気中の酸素と反応して電力を発生さ
せる。

【００３２】燃料電池本体２８で発生した電力は、電力
変換系３３を介して負荷３４に供給される。このとき、
駆動制御装置３５は、負荷３４の変動を燃料電池本体２
８の端子間電圧の変化から検知し、検知結果に対応させ
てポンプ２４の回転数、ブロワ３１の回転数、バルブ２
２の開度を制御して負荷変動に対応する。

【００３３】駆動制御装置３５が発電停止指令を受け取
ると、駆動制御装置３５はバルブ２２を閉に制御すると
ともにポンプ２４、加熱器２５、燃焼器３０の停止制御
を行い、燃料電池本体２８の発電出力が零になったこと
を確認した後にブロワ３１を停止制御する。

【００３４】このように、この例に係る燃料電池発電シ
ステムでは、運転時に、燃料電池本体２８に発電動作を
行わせるのに必要なポンプ２４、加熱器２５、燃焼器３
０、ブロワ３１等の要素を商用電源３７で駆動する駆動
制御装置３５を設けている。

【００３５】したがって、従来のシステムで必要として
いたガスタービンシステムやバッテリを不要化でき、シ
ステムの大幅な小型化、低コスト化が可能となる。ま
た、上述した要素を燃料電池本体２８の発電動作とは非
連動で制御できるため、システムバランスをとりながら
の緩やかな発電開始、停止を行う従来のシステムとは違
って、発電開始、停止への対応性を大幅に改善すること
ができる。

【００３６】さらに、負荷変化に対する応答性は、前述
のように改質システムの応答性とシステムヘ燃料や空気
などを供給する要素（制御機器）の応答性との和で決ま
るが、ガスタービンシステムのように応答性の悪い要素
を用いることなく、商用電源３７で駆動できる要素に代
えることができるので、応答性を改善することができ
る。

【００３７】また、システムの規模が小さくなると、同
一熱量に対する電気とガス（燃料に使われる天然ガス）
の料金比が大型システムの場合に比べ小さくなるが、ガ
スタービンシステムのような効率の悪い要素を用いずに
済むので、結果的に従来のシステムに比べて経済性を損
なうことはない。

【００３８】図２には本発明の第２の実施形態に係る燃
料電池発電システム、ここにも電解質として固体高分子
膜を用いる燃料電池発電システムに本発明を適用した例
の概略構成が示されている。この図では図１に示される
部分と同一機能部分に同一符号が付されている。したが
って、重複する部分の詳しい説明は省略する。

【００３９】この例に係るシステムが図１に示すシステ
ムと異なる点は、通常負荷用の燃料電池本体２８ａと、
これより容量の小さい軽負荷用の燃料電池本体２８ｂと
を設け、負荷３４の状態に対応させて燃料電池本体２８
ａ，２８ｂを切替使用できるようにしていることにあ
る。

【００４０】すなわち、改質器２３によって生成された
水素リッチな燃料ガス２７は、バルブ３９，４０を介し
て燃料電池本体２８ａ、２８ｂの何れかの燃料ガス通路
に供給される。又、燃料電池本体２８ａ，２８ｂの酸化
剤ガス通路には、ブロア３１ａ，３１ｂを介して酸化剤
ガスが選択的に供給される。

【００４１】この例に係る燃料電池発電システムにおい
ても駆動制御装置３５ａが設けてあり、この駆動制御装
置３５ａは負荷要求３６にしたがって商用電源３７を用
いてバルブ２２，２９，３９，４０の開閉制御、加熱器
２５、燃焼器３０、ポンプ２４、ブロア３１ａ，３１ｂ
の駆動制御、つまり燃料電池本体２８ａ、２８ｂを動作
させるのに必要な要素を動作させるようにしている。

【００４２】すなわち、発電開始指令から発電停止指令
までの一連の動作は先の例とほぼ同じであるが、この例
の場合、駆動制御装置３５ａは、負荷３４が通常の負荷
の場合にはバルブ３９を開、バルブ４０を閉に制御し、
ブロア３１ａを駆動し、ブロア３１ｂを停止制御して、
燃料電池本体２８ａから出力を送出させる。また負荷３
４が軽負荷の場合にはバルブ３９を閉、バルブ４０を開
に制御し、ブロア３１ａを停止、ブロア３１ｂを駆動制
御して、燃料電池本体２８ｂから出力を送出させるよう
にしている。

【００４３】このように、この例に係る燃料電池発電シ
ステムでは、運転時に、燃料電池本体２８ａ，２８ｂに
発電動作を行わせるのに必要なポンプ２４、加熱器２
５、燃焼器３０、ブロワ３１ａ，３１ｂ等の要素を商用
電源３７で駆動する駆動制御装置３５ａを設けている。
したがって、図１に示した例と同様の効果を発揮させる
ことができる。

【００４４】また、この例に係る燃料発電システムで
は、通常負荷用の燃料電池本体２８ａと軽負荷用の燃料
電池本体２８ｂとを設け、負荷３４の大きさに対応させ
て両燃料電池本体２８ａ，２８ｂを切替使用できるよう
にしているので、１つの燃料電池本体が受け持つ負荷の
変動幅を小さくすることができる。この結果、燃料電池
本体２８ａ、２８ｂの端子電圧が大幅に変動するのを抑
制でき、端子電圧の変動に伴う触媒の劣化を防止できる
ので、システムの信頼性を向上させることができる。

【００４５】図３には本発明の第３の実施形態に係る燃
料電池発電システム、ここにも電解質として固体高分子
膜を用いる燃料電池発電システムに本発明を適用した例
の概略構成が示されている。この図では図１に示される
部分と同一機能部分に同一符号が付されている。したが
って、重複する部分の詳しい説明は省略する。

【００４６】この例に係るシステムが図１に示すシステ
ムと異なる点は、駆動制御装置３５ｂの構成にある。す
なわち、駆動制御装置３５ｂは、図１に示される駆動制
御装置の機能に加えて、負荷３４の大きさ、あるいは運
転形態に対応させて商用電源３７から直接的に負荷３４
に電力を供給できるように構成されている。

【００４７】商用電源３７から負荷３４に直接的に電力
を供給するパターンには幾つかあるが、この例に係る駆
動制御装置３５ｂは、図４に示すように、負荷３４が要
求する必要電力の状態に応じて燃料電池本体２８の発生
電力に重畳させて商用電源電力を供給する機能を備えて
いる。

【００４８】このような構成であると、図１に示す例と
同様の効果が得られるとともに、燃料電池本体２８の発
生電力に重畳させて商用電源電力を供給するようにして
いるので、負荷変動に対して容易に追従できる。また、
燃料電池本体２８でベース負荷を分担させることができ
るので、燃料電池本体２８の端子間電圧が急激に変動す
るのを防止でき、触媒の保護を図ることができるととも
に、燃料電池本体２８を高い稼働率で運転することがで
きるので、高い経済性を得ることができる。

【００４９】商用電源３７から負荷３４に直接的に電力
を供給するパターンとしては、上記の例に限らず、図５
に示すように、燃料電池本体２８から負荷３４への電力
供給開始時（負荷側では起動開始時）または電力供給停
止時に、負荷３４に対して商用電源電力のみを供給する
ように駆動制御装置を構成してもよい。

【００５０】このよう駆動制御装置を用いると、起動特
性（発電開始特性）を大幅に改善することができる。す
なわち、燃料電池本体２８から電力を供給開始させるに
は、改質器２３を所定温度（７００℃）まで立ち上げな
ければならず、相当の時間を必要とする。なお、起動時
間を短縮するために燃料電池発電システム全体を待機状
態にしておくことは、不規則な起動が予想される民生用
負荷に対してはかなりの効率低下を招く。また、軽負荷
に対して長時間に亘って給電すると、燃料電池本体２８
の端子間電圧が高い状態が続き、触媒の劣化を引き起こ
す。しかし、発電開始時（負荷側では起動時）や軽負荷
時には、商用電源３７で対処する方式であると、実質的
に起動特性を改善することができるとともに、軽負荷時
における燃料電池本体２８の端子電圧上昇を防ぐことが
できる。

【００５１】図６には図１に示した装置の応用例である
本発明の第４の実施形態に係る燃料電池発電システム、
ここにも電解質として固体高分子膜を用いる燃料電池発
電システムに本発明を適用した例の概略構成が示されて
いる。この図では図１に示される部分と同一機能部分に
同一符号が付されている。したがって、重複する部分の
詳しい説明は省略する。

【００５２】この例に係るシステムが図１に示すシステ
ムと異なる点は、負荷が空気調和装置４１である点及び
駆動制御装置３５ｃの構成にある。すなわち、燃料電池
本体２８の発生電力は空気調和装置４１における圧縮機
４２の駆動だけに用いられる。そして、空気調和装置４
１における４方弁４３の切替駆動エネルギ、熱交換器用
ファン４４，４５の駆動エネルギ、冷媒流量制御弁４６
の駆動エネルギは、駆動制御装置３５ｃを介して商用電
源３７から与えられる。

【００５３】このように構成しても、図１の例と同様の
効果を発揮させることができる。図７には図３に示した
装置の応用例である本発明の第５の実施形態に係る燃料
電池発電システム、ここにも電解質として固体高分子膜
を用いる燃料電池発電システムに本発明を適用した例の
概略構成が示されている。この図では図３に示される部
分と同一機能部分に同一符号が付されている。したがっ
て、重複する部分の詳しい説明は省略する。

【００５４】この例に係るシステムが図３に示すシステ
ムと異なる点は、負荷が空気調和装置４１である点及び
駆動制御装置３５ｄの構成にある。すなわち、燃料電池
本体２８の発生電力は空気調和装置４１における圧縮機
４２の駆動に用いられる。そして、空気調和装置４１に
おける４方弁４３の切替駆動エネルギ、熱交換器用ファ
ン４４，４５の駆動エネルギ、冷媒流量制御弁４６の駆
動エネルギは、駆動制御装置３５ｄを介して商用電源３
７から与えられる。また、駆動制御装置３５ｄは、空気
調和装置４１が定常運転（サーモオフ・オン運転）に入
った段階から、圧縮機４２を燃料電池本体２８の発生電
力で駆動する代わりに商用電源３７で駆動する状態に切
り替えるようにしている。

【００５５】すなわち、運転指令が与えられると、駆動
制御装置３５ｄは、先の図３に示した例と同様に、燃料
電池発電システムを立ち上げて燃料電池本体２８の出力
で空気調和装置４１における圧縮機４２を駆動開始させ
る。このとき、空気調和装置４１における他の要素につ
いては商用電源３７で駆動する。

【００５６】空調空間が設定温度に近づくと、駆動制御
装置３５ｄは空気調和装置側から圧縮機回転数の減少指
令を受け取り、燃料電池本体２８の発電量を減少させて
いく。そして、駆動制御装置３５ｄは、空気調和装置側
からサーモオフの信号を受け取ると、図８に示すよう
に、燃料電池による発電を停止させ、以後、商用電源３
７で圧縮機４２を駆動するモードに切り替える。なお、
このようなサーモオフ・オン運転を行っているとき、空
調負荷の増加値が所定値を越えたことを示す検知信号が
与えられると、駆動制御装置３５ｄは燃料電池による発
電を再開させ、順次、給電源を燃料電池本体２８側へと
切り替える。

【００５７】したがって、図３に示した例と同様の効果
を発揮させることができる。図９には本発明の第６の実
施形態に係る燃料電池発電システム、ここにも電解質と
して固体高分子膜を用いる燃料電池発電システムに本発
明を適用した例の概略構成が示されている。この図では
図１に示される部分と同一機能部分に同一符号が付され
ている。したがって、重複する部分の詳しい説明は省略
する。

【００５８】この例に係るシステムが図１に示すシステ
ムと異なる点は、天然ガス２１の燃焼熱を用いて発電す
る熱発電装置５１を設け、起動時には燃料電池本体２８
を動作させるのに必要な要素を商用電源３７で駆動し、
起動後は上記要素を熱発電装置５１で発生した電力で駆
動するようにしたことにある。

【００５９】すなわち、天然ガス２１の一部がバルブ５
２を介して熱発電装置５１に導かれる。熱発電装置５１
はゼーベック効果を利用したもので、熱発電素子５３の
高温面には導かれた天然ガスを燃焼させる燃焼器を含ん
だ熱交換器５４が接触状態に設けられている。また、熱
発電素子５１の低温面にはポンプ２４を介して導かれた
水と低温面とを熱交換させて水蒸気２６を発生させる熱
交換器５５が設けられている。

【００６０】熱発電装置５１の熱交換器５４を出た高温
の排ガスは改質器２３の熱源として供給され、また熱交
換器５５を出た水蒸気２６は改質用として改質器２３に
供給される。

【００６１】一方、この例に係る燃料電池発電システム
の駆動制御装置３５ｅは次のように構成されている。す
なわち、起動時には燃料電池本体２８を動作させるのに
必要な要素、具体的にはバルブ２２，５２、燃焼器３
０、ポンプ２４、ブロア３１等の要素を商用電源３７で
駆動し、起動後、具体的には熱発電装置５１から安定し
て出力が送出され始めた時点からは熱発電装置５１の発
生した電力で上述した要素を駆動するように切替器５６
で切り替え制御している。このような機能を発揮するた
めに、駆動制御装置３５ｅは熱発電装置５１の出力を交
流に変換する電力変換系を内蔵している。

【００６２】このように構成された燃料電池発電システ
ムは次のように動作する。まず、起動前の状態では切替
器５６が商用電源３７側に投入されている。起動指令が
与えられると、駆動制御装置３５ｅは、バルブ５２を
開、バルブ２２を閉にし、燃焼器を兼ねた熱交換器５４
へ天然ガス２１を供給して熱発電素子５３の高温面温度
を素早く上昇させる。高温面温度が所定値に達すると、
ポンプ２４を動作開始させて熱交換器５５へ水を供給す
る。このように、熱発電素子５３の低温面を冷却するこ
とにより、熱発電素子５３の出力をさらに増加させる。

【００６３】熱発電素子５３の低温面温度が所定値まで
低下し、さらに熱発電装置５１からの排ガスで加熱され
る改質器２３が所定温度に達すると、切替器５６を熱電
源５７側へと切り替える。したがって、この時点から熱
発電装置５１の発生電力で各要素が駆動制御される。駆
動制御装置３５ｅはブロワ３１を動作開始させて燃料電
池本体２８の酸化剤ガス通路へ空気を供給する。

【００６４】次に、バルブ２２を制御し、改質器２３へ
燃料である天然ガス２１を供給する。改質用の水は、熱
交換器５５で熱発電素子５３の低温面より熱を奪って水
蒸気となって改質器２３に送られているため、燃料は速
やかに水素へと改質する。

【００６５】改質器２３で生成された燃料ガス２７は、
燃料電池本体２８の燃料ガス通路に供給される。供給さ
れた燃料ガス２７は、燃料電池本体２８内において触媒
存在下で電解質を介して空気中の酸素と反応し電力を発
生する。発生した電力は、電力変換系３３を介して負荷
３４に供給される。

【００６６】発電負荷の変動が出力電圧の増減で検知さ
れると、駆動制御装置３５ｅは、バルブ２２，５２、ポ
ンプ２４、ブロワ３１を制御し、熱発電装置５１の発電
出力、燃料電池システムの発生電力を変化させ発電負荷
の変化に対応させる。

【００６７】発電停止指令を受け取ると、駆動制御装置
３５ｅは、切替器５６を商用電源３７側に切り替えた後
にバルブ２２を閉にして改質器２７への燃料供給を停止
するとともにバルブ５２を制御して熱発電装置５１への
燃料供給量を減少させ、続いてポンプ２４も停止させ
る。そして、燃料電池本体２８の発電出力が零になった
のを検知してブロワ３１を停止させ、続いて熱発電装置
５１への燃料供給を停止させる。

【００６８】このように、この例に係る燃料電池発電シ
ステムでは、熱発電装置５１を設け、運転時に、燃料電
池本体２８に発電動作を行わせるのに必要な要素、具体
的には燃焼器３０、ポンプ２４、ブロワ３１等の要素を
熱発電装置５１の発生電力で駆動するようにしている。

【００６９】したがって、図１に示した例と同様の効果
を発揮させることができる。すなわち、従来のシステム
で必要としていたガスタービンシステムやバッテリを不
要化でき、システムの大幅な小型化、低コスト化が可能
になる。また、上述した要素を燃料電池本体の発電とは
非連動で制御できるため、システムバランスをとりなが
らの緩やかな発電開始、停止を行う従来のシステムとは
違って、発電開始、停止への対応性を改善することがで
きる。

【００７０】さらに、負荷変化に対する応答性は、改質
システムの応答性とシステムヘ燃料や空気などを供給す
る要素（制御機器）の応答性との和で決まるが、ガスタ
ービンシステムのように応答性の悪い要素を用いること
なく、熱発電装置５１の発生電力で駆動できる要素に代
えることができるので、応答性を改善することができ
る。

【００７１】また、前述の如くシステムの規模が小さく
なると従来のシステムではガスタービンの効率が著しく
低下する。一方、システムの規模が小さくなると、同一
熱量に対する電気とガス（燃料に使われる天然ガス）の
料金比が大型システムの場合に比べ小さくなる。このた
め、ガスタービンシステムに代えて熱発電装置５１の発
生電力で駆動される要素を用いても経済性を損なうこと
はない。特に、ゼーベック効果を利用した熱発電装置５
１の場合、傾斜機能化技術を使用することにより、ガス
タービンの２〜３倍の効率を得ることができ、経済性を
向上させることができる。

【００７２】図１０には本発明の第７の実施形態に係る
燃料電池発電システム、ここにも電解質として固体高分
子膜を用いる燃料電池発電システムに本発明を適用した
例の概略構成が示されている。この図では図９に示され
る部分と同一機能部分に同一符号が付されている。した
がって、重複する部分の詳しい説明は省略する。

【００７３】この例に係るシステムが図９に示すシステ
ムと異なる点は、バルブ５８を介して導かれた天然ガス
２１の一部または燃料電池本体２８から排出された未使
用の燃料ガス２７を燃焼器３０で燃焼させ、この燃焼ガ
スを改質器２３に導いて改質に必要な熱エネルギを与え
るとともに、改質器２３から排出された高温の排ガスを
熱発電装置５１の熱交換器５４に通して熱発電素子５３
の高温面を加熱するようにしたことにある。

【００７４】このような構成であると、図９に示す例と
同様の効果が得られることは勿論のこと、改質系からの
排熱を熱発電系で用いているので、システム効率の向上
を図ることができる。

【００７５】図１１には本発明の第８の実施形態に係る
燃料電池発電システム、ここにも電解質として固体高分
子膜を用いる燃料電池発電システムに本発明を適用した
例の概略構成が示されている。この図では図９に示され
る部分と同一機能部分に同一符号が付されている。した
がって、重複する部分の詳しい説明は省略する。

【００７６】この例に係るシステムが図９に示すシステ
ムと異なる点は、駆動制御装置３５ｇの構成にある。す
なわち、駆動制御装置３５ｇは、図９に示される駆動制
御装置の機能に加えて、負荷３４の大きさ、あるいは運
転形態に対応させて熱発電装置５１で発生した電力を負
荷３４に供給できるように構成されている。

【００７７】熱発電装置５１で発生した電力を負荷３４
に供給するパターンには幾つかあるが、この例に係る駆
動制御装置３５ｇでは、図１２に示すように、負荷３４
が要求する必要電力の状態に応じて燃料電池本体２８の
発生電力に重畳させて熱発電装置５１で発生した電力を
供給する機能を備えている。

【００７８】このような構成であると、図９に示す例と
同様の効果が得られるとともに、燃料電池本体２８の発
生電力に重畳させて熱発電力を供給するようにしている
ので、負荷変動に対して容易に追従できる。また、燃料
電池本体２８でベース負荷を分担させることができるの
で、燃料電池本体２８の端子間電圧が急激に変動するの
を防止でき、触媒の保護を図ることができるとともに、
燃料電池本体２８を高い稼働率で運転することができる
ので、高い経済性を得ることができる。

【００７９】熱発電装置５１で発生した電力を負荷３４
に供給するパターンとしては、上記の例に限らず、図１
３に示すように、燃料電池本体２８から負荷３４への電
力供給開始時（負荷側では起動開始時）から電力供給停
止時に至る全期間に亘って熱発電電力を供給するように
駆動制御装置を構成してもよい。

【００８０】このよう駆動制御装置を用いると、図５を
用いて説明したように、起動特性（発電開始特性）を大
幅に改善することができ、しかも触媒の劣化を防止でき
る。図１４には図９に示した装置の応用例である本発明
の第９の実施形態に係る燃料電池発電システム、ここに
も電解質として固体高分子膜を用いる燃料電池発電シス
テムに本発明を適用した例の概略構成が示されている。
この図では図９に示される部分と同一機能部分に同一符
号が付されている。したがって、重複する部分の詳しい
説明は省略する。

【００８１】この例に係るシステムが図９に示すシステ
ムと異なる点は、負荷が空気調和装置４１である点及び
駆動制御装置３５ｈの構成にある。すなわち、燃料電池
本体２８の発生電力は空気調和装置４１における圧縮機
４２の駆動だけに用いられる。そして、空気調和装置４
１における４方弁４３の切替駆動エネルギ、熱交換器用
ファン４４，４５の駆動エネルギ、冷媒流量制御弁４６
の駆動エネルギは、駆動制御装置３５ｈを介して熱発電
装置５１で発生した電力から与えられる。

【００８２】このように構成しても、図９の例と同様の
効果を発揮させることができる。図１５には図１１に示
した装置の応用例である本発明の第１０の実施形態に係
る燃料電池発電システム、ここにも電解質として固体高
分子膜を用いる燃料電池発電システムに本発明を適用し
た例の概略構成が示されている。この図では図１１に示
される部分と同一機能部分に同一符号が付されている。
したがって、重複する部分の詳しい説明は省略する。

【００８３】この例に係るシステムが図１１に示したシ
ステムと異なる点は、負荷が空気調和装置４１である点
及び駆動制御装置３５ｉの構成にある。すなわち、燃料
電池本体２８の発生電力は空気調和装置４１における圧
縮機４２の駆動に用いられる。そして、空気調和装置４
１における４方弁４３の切替駆動エネルギ、熱交換器用
ファン４４，４５の駆動エネルギ、冷媒流量制御弁４６
の駆動エネルギは、駆動制御装置３５ｉを介して熱発電
装置５１の発生電力から与えられる。また、駆動制御装
置３５ｉは、空気調和装置４１が定常運転（サーモオフ
・オン運転）に入った段階から、圧縮機４２を燃料電池
本体２８の発生電力で駆動する代わりに熱発電装置５１
の発生電力で駆動する状態に切り替えるようにしてい
る。

【００８４】すなわち、運転指令が与えられると、駆動
制御装置３５ｉは、先の図９に示した例と同様に、燃料
電池発電システムを立ち上げて燃料電池本体２８の出力
で空気調和装置４１における圧縮機４２を駆動開始させ
る。このとき、燃料電池本体２８を動作させるに必要な
要素及び空気調和装置４１における他の要素については
熱発電装置５１の発生電力で駆動する。

【００８５】空調空間が設定温度に近づくと、駆動制御
装置３５ｉは空気調和装置側から圧縮機回転数の減少指
令を受け取り、燃料電池本体２８の発電量を減少させて
いく。そして、駆動制御装置３５ｉは、空気調和装置側
からサーモオフの信号を受け取ると、図８に示すよう
に、燃料電池による発電を停止させ、以後、熱発電装置
５１の発生電力で圧縮機４２を駆動するモードに切り替
える。なお、このようなサーモオフ・オン運転を行って
いるとき、空調負荷の増加値が所定値を越えたことを示
す検知信号が与えられると、駆動制御装置３５ｉは燃料
電池による発電を再開させ、順次、給電源を燃料電池本
体２８側へと切り替える。

【００８６】したがって、図９に示した例と同様の効果
を発揮することになる。なお、図９から図１５に示す例
では、切替器５６を設け、運転中は商用電源３７を駆動
制御装置から切り離すようにしているが、運転中も駆動
制御装置が商用電源３７に接続されたままの状態にして
もよい。

【００８７】

【発明の効果】以上のように、本発明によれば、運転時
に、燃料電池本体に発電動作を行わせるのに必要なたと
えばバルブ、ポンプ、ブロワ等の要素を商用電源もしく
は熱発電系の発生電力で駆動する駆動制御装置を備えて
いる。

【００８８】したがって、従来のシステムで必要として
いたガスタービンシステムやバッテリを不要化でき、シ
ステムの大幅な小型化、低コスト化が可能になる。ま
た、上述した要素を燃料電池本体の発電とは非連動で制
御できるため、システムバランスをとりながらの緩やか
な発電開始、停止を行う従来のシステムとは違って、発
電開始、停止への対応性を改善することができる。さら
に、負荷変化に対する応答性は、改質システムの応答性
とシステムヘ燃料や空気などを供給する要素の応答性と
の和で決まるが、ガスタービンシステムのように応答性
の悪い要素を用いることなく、商用電源もしくは熱発電
系の発生電力で駆動できる要素に代えることができるの
で、応答性を改善することができ、結局、民生用に要求
される条件を満たすことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施形態に係る燃料電池発電シ
ステムの概略構成図

【図２】本発明の第２の実施形態に係る燃料電池発電シ
ステムの概略構成図

【図３】本発明の第３の実施形態に係る燃料電池発電シ
ステムの概略構成図

【図４】同実施形態において負荷に必要な電力を燃料電
池と商用電源とで分担している一例を示す図

【図５】同実施形態において負荷に必要な電力を燃料電
池と商用電源とで分担している別の例を示す図

【図６】本発明の第４の実施形態に係る燃料電池発電シ
ステムの概略構成図

【図７】本発明の第５の実施形態に係る燃料電池発電シ
ステムの概略構成図

【図８】同実施形態において負荷に必要な電力を燃料電
池と商用電源とで分担している一例を示す図

【図９】本発明の第６の実施形態に係る燃料電池発電シ
ステムの概略構成図

【図１０】本発明の第７の実施形態に係る燃料電池発電
システムの概略構成図

【図１１】本発明の第８の実施形態に係る燃料電池発電
システムの概略構成図

【図１２】同実施形態において負荷に必要な電力を燃料
電池と熱発電電力とで分担している一例を示す図

【図１３】同実施形態において負荷に必要な電力を燃料
電池と熱発電電力とで分担している別の例を示す図

【図１４】本発明の第９の実施形態に係る燃料電池発電
システムの概略構成図

【図１５】本発明の第１０の実施形態に係る燃料電池発
電システムの概略構成図

【図１６】従来の燃料電池発電システムの概略構成図

【図１７】燃料電池発電システムを地域冷暖房に適用し
た例の系統図

【符号の説明】

２１…化石燃料としての天然ガス ２２，２９，３９，４０，５２，５８…バルブ ２３…改質器 ２４…ポンプ ２５…加熱器 ２６…水蒸気 ２７…燃料ガス ２８，２８ａ、２８ｂ…燃料電池本体 ３１…ブロア ３２…空気 ３３…電力変換系 ３４…負荷 ３５，３５ａ、３５ｂ、３５ｃ、、３５ｄ、３５ｅ，３
５ｆ、３５ｇ、３５ｈ、３５ｉ…駆動制御装置 ３７…商用電源 ４１…空気調和装置 ５１…熱発電装置 ５３…熱発電素子 ５４，５５…熱交換器 ５６…切替器 ５７…熱電源

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】燃料電池本体に発電動作を行わせるのに必
   要な要素を商用電源を使って駆動する駆動制御系を備え
   てなることを特徴とする燃料電池発電システム。
2. 【請求項２】前記駆動制御系は、前記燃料電池本体から
   電力供給を受ける負荷の状態に応じて該負荷に前記燃料
   電池本体の出力電力に重畳させて商用電源電力を供給す
   る機能も備えている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。
3. 【請求項３】前記駆動制御系は、前記燃料電池本体から
   負荷への電力供給開始時または低負荷時に、該負荷に対
   して商用電源電力のみを供給する機能も備えていること
   を特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池発電シ
   ステム。
4. 【請求項４】燃料改質系で生成された水素リッチな燃料
   ガスを燃料電池本体に供給するようにした燃料電池発電
   システムにおいて、前記燃料改質系の排熱または前記燃
   料改質系で改質に使う燃料と同じ燃料を燃焼させて得た
   燃焼熱を使って発電する熱発電系と、発電システムを動
   作させるのに必要な要素を前記熱発電系で得られた電力
   を使って駆動する駆動制御系とを具備してなることを特
   徴とする燃料電池発電システム。
5. 【請求項５】前記駆動制御系は、前記燃料電池本体から
   電力供給を受ける負荷の状態に応じて該負荷に対して前
   記燃料電池本体の出力電力に重畳させて前記熱発電系の
   出力電力を供給する機能も備えていることを特徴とする
   請求項４に記載の燃料電池発電システム。
6. 【請求項６】前記駆動制御系は、前記燃料電池本体から
   負荷への電力供給開始時または低負荷時に、該負荷に対
   して前記熱発電系の出力電力のみを供給する機能も備え
   ていることを特徴とする請求項４または５に記載の燃料
   電池発電システム。
7. 【請求項７】前記燃料電池本体は、通常負荷用と軽負荷
   用とに分離されていることを特徴とする請求項１または
   ４に記載の燃料電池発電システム。