JPH11317233A - 燃料電池発電システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 発電開始直後の期間に改質器により十分な熱
量が得られない場合でも、改質器へ供給される水の温度
が低くなって発電効率が低下することを防止する。 【解決手段】 現在の時刻が深夜時間帯の開始時刻にな
ると、システム制御装置６２は改質器１０への天然ガス
及び水の供給を停止させて燃料電池１２による発電を停
止させ、発電停止と共にヒータ４４への駆動電流の供給
を制御してヒータ４４により貯水タンク４２内の水を目
標温度へ昇温する。この後、深夜時間帯の終了時刻にな
ると、システム制御装置６２は改質器１０への天然ガス
及び水の供給を再開させて燃料電池１２による発電を開
始させる。従って、発電開始直後には改質器１０へ目標
温度（例えば、９０〜１００°Ｃ）へ昇温された貯水タ
ンク４２内の温水が供給される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、天然ガス等を原料
として改質器により生産される水素を燃料として電気エ
ネルギーを供給する燃料電池発電システムに関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、改質器及び燃料電池を組み合わせ
た燃料電池発電システムの開発が進められている。この
ような燃料電池発電システムでは、改質器へ天然ガス等
の水素原料と共に水を供給する。改質器は供給される水
素原料又は発生水素の一部を燃焼させて水素原料及び水
へ反応熱を供給し、触媒上で水素原料中のメタン等を水
と反応させて水素を発生する。そして燃料電池は、改質
器から供給される水素を発電燃料として電気エネルギー
を発生させる。このような燃料電池発電システムには、
改質器又は燃料電池から排出される熱を回収し、この回
収熱により改質器へ供給される水を予め昇温する熱交換
器を備えたものがある。このように改質器へ供給される
水を予め昇温することより、改質器により消費される燃
料を節約して燃料電池発電システム全体の発電効率を向
上できる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、燃料電
池発電システムを停止状態から発電開始した直後には改
質器及び燃料電池から排出される熱量が少ないため、熱
交換器により改質器へ供給される水を十分昇温できな
い。特に、固体高分子形（ＰＥＦＣ）、りん酸形（ＰＡ
ＦＣ）等の発電時の運転温度が低い燃料電池を用いた場
合には、燃料電池から排出される熱量が小さく、かつ発
電開始直後には改質器から十分な熱量が得ることができ
ないので、発電開始から改質器により十分な熱量が得ら
れるまでの期間はシステム全体の発電効率が大幅に低下
する。これにより、燃料電池発電システムでは、発電開
始直後に水素の供給量が不足して燃料電池により定格電
力が発生できなくなったり、改質器により消費される燃
料が増加するなどの問題が生じる。

【０００４】本発明の目的は、上記の事実を考慮し、発
電開始から改質器により十分な熱量が得られるまでの期
間にも改質器へ十分高温の水を供給し、高い発電効率を
維持できる燃料電池発電システムを提供することにあ
る。

【０００５】

【課題を解決するための手段】請求項１記載の燃料電池
発電システムは、水素原料及び水へ所定の反応熱を供給
し水素原料に含まれる炭化水素又はアルコールを水と反
応させて水素を発生する改質器と、前記改質器から供給
された水素を空気中の酸素と反応させて電気エネルギー
を発生する燃料電池と、前記改質器へ供給する水を蓄え
た貯水タンクへ配置され、駆動電流が供給されると共に
前記貯水タンク内の水を昇温するヒータと、を有するも
のである。

【０００６】上記構成の燃料電池発電システムによれ
ば、ヒータが貯水タンク内の水を昇温することにより、
改質器へはヒータにより予め駆動電流に対応する熱量が
供給された水を水素原料と共に供給できるので、改質器
が水及び水素原料へ反応熱を供給するために消費する燃
料を減少できる。この結果、改質器及び燃料電池から排
出される熱量が少ない期間でもシステムの発電効率の低
下を防止できる。特に、システムの発電開始直後には改
質器から十分な排出熱量を得ることができないので、シ
ステムが発電停止している期間にヒータにより貯水タン
ク内の水を昇温し、この昇温された水をシステムの発電
開始と共に改質器へ供給すれば、発電開始直後における
発電効率の低下を効果的に防止できる。

【０００７】ここで、システムの発電効率とは、システ
ム外部からシステム内部へ供給されるエネルギー総量に
対する燃料電池から出力される電気エネルギーの比であ
り、このシステム外部から供給されるエネルギーには、
水素原料及び反応熱を発生するために改質器へ供給され
る燃料が有するエネルギーが含まれる。

【０００８】請求項２記載の燃料電池発電システムは、
請求項１記載の燃料電池発電システムにおいて、前記ヒ
ータを所定の深夜時間帯内にのみ駆動可能とし、前記深
夜時間帯に前記貯水タンク内の水が予め設定された目標
温度となるように前記ヒータの駆動を制御するヒータ制
御手段を有するものである。

【０００９】上記構成の燃料電池発電システムによれ
ば、制御手段が、所定の深夜時間帯に貯水タンク内の水
が予め設定された目標温度となるようにヒータの駆動を
制御することにより、深夜時間帯及び深夜時間帯の終了
直後にはヒータにより目標温度へ昇温された水が改質器
へ供給されるので、改質器が水及び水素原料へ反応熱を
供給するために消費する燃料を減少できる。

【００１０】ここで、一般に電力需要が低下する深夜時
間帯にはシステムによる発電を計画的に停止すると共
に、ヒータにより昇温する水の目標温度として十分高い
温度を設定しておけば、深夜時間帯の終了時点から改質
器へ十分高温の水を供給し、高い発電効率を維持でき
る。また、深夜時間帯には他の時間帯と比較して安価な
深夜電力が供給されることが予測され、この深夜電力を
利用すれば低コストで水を昇温することが可能になるの
で、ユーザが電気エネルギーに対して負担するトータル
コストを低減することが可能になる。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態について
図面を参照して説明する。

【００１２】（実施形態の構成）図１及び図２には本発
明の実施形態に係る燃料電池発電システムが示されてい
る。この燃料電池発電システムは家庭等の需要に応じて
電気エネルギーと共に温水等の熱エネルギーを供給可能
とするものであり、図１に示されるように改質器１０及
び燃料電池１２を備えている。改質器１０は、２本のガ
ス供給管１４，１６によりガスボンベやガス会社のガス
供給設備へ接続されており、これらのガス供給管１４，
１６を通して改質器１０にはメタンを主成分とする天然
ガスが供給される。改質器１０は、図２に示されるよう
に反応容器１８及びガスバーナ２０を備えている。反応
容器１８内には中空状の触媒反応管２２が配置されてお
り、この触媒反応管２２内にはメタンを水素へ改質する
ためのＮｉ系金属触媒（図示省略）が装填されている。
またガスバーナ２０は反応容器１８の底部へ配置され、
反応容器１８内で天然ガスを燃焼させる。

【００１３】ガス供給管１４には、図１に示されるよう
に配管途中に流量制御弁２４が配置されており、図２に
示されるように改質器１０のガスバーナ２０へ接続され
ている。またガスバーナ２０には、ガス供給管１４と並
行して送気管２６が接続されており、この送気管２６を
通してブロア２８から吹き出される空気が供給される。
またガス供給管１６は反応容器２２内において複数本に
分岐し、それらの分岐管がそれぞれ触媒反応管２２内へ
挿入されている。このガス供給管１６には、図１に示さ
れように上流側から流量制御弁３０、脱硫器３２、エジ
ェクタ３４及び熱交換器３６が配置されている。ここ
で、エジェクタ３４は、ポンプ３８が配置された給水管
４０により貯水タンク４２へ接続されており、ポンプ３
８の駆動時には給水管４０を通して貯水タンク４２内へ
蓄えられた水がエジェクタ３４へ供給される。給水管４
０には反応容器１８の側壁へ沿って水を流通させる熱交
換部４０Ａが設けられており、この熱交換部４０Ａでは
反応容器１８内から給水管４０内を流通する水へ熱供給
される。また貯水タンク４２には、駆動電流が供給され
ると共にジュール熱を発生し、このジュール熱によりタ
ンク内へ蓄えられた水を昇温するヒータ４４が設置され
ている。

【００１４】改質器１０の反応容器２２からは排気管４
６が延出し、この排気管４６は給湯用タンク４８内へ配
置された熱交換器５０へ接続されている。これにより、
ガスバーナ２０によるガス燃焼時に反応容器１８から排
出される高温の燃焼ガスは熱交換器５０へ供給され、給
湯用タンク４８内へ蓄えられた水へ熱供給する。また、
図２に示されるように改質器１０の触媒反応管２２から
は反応ガス供給管５２が延出し、この反応ガス供給管５
２は、図１に示されるように熱交換器３６を経由して燃
料電池１２へ接続されている。反応ガス供給管５２に
は、熱交換器３６と燃料電池１２との間にＣＯ変成器５
４及びＣＯ除去器５６が配置されると共に、ブロア５８
から吹き出される空気をＣＯ除去器５８へ供給する送気
管６０が接続されている。

【００１５】システム全体を制御するシステム制御装置
６２は、システムによる発電開始時に流量制御弁２４を
所定の初期開度まで開き、天然ガスをガス供給管１４を
通してガスバーナ２０へ供給し、ガスバーナ２０へ着火
する。これにより、ガスバーナ２０により天然ガスが燃
焼し、反応容器１８内の温度が上昇する。ガスバーナ２
０の高温の排気ガスは排気管４６を通して反応容器１８
から熱交換器５０へ供給されて給湯用タンク４８内の水
を昇温する。システム制御装置６２は、反応容器１８内
が７００〜８００°Ｃへ昇温されると流量制御弁３０を
開くと共にポンプ３８を駆動する。これにより、脱硫器
３２により脱硫された天然ガスがガス供給管１６を通し
て触媒反応管２２内へ供給されると共に、給水管４０を
通して貯水タンク４２内の水がエジェクタ３４へ供給さ
れる。このとき、エジェクタ３４へ供給される水は、ヒ
ータ４４により貯水タンク４２内で昇温され、更に熱交
換部４０Ａにより熱供給されることにより過熱状態の水
蒸気となってエジェクタ３４内へ噴射されると共に天然
ガスと混合される。この天然ガス及び水蒸気は熱交換器
３６により熱供給されて触媒反応管２２内へ供給され
る。

【００１６】触媒反応管２２内では、天然ガス及び水蒸
気へ所定の反応熱が供給されると、金属触媒上で天然ガ
ス中のメタンが水蒸気と化学反応して水素、二酸化炭素
及び一酸化炭素等からなる反応ガスが生成される。この
反応ガスは高温状態で熱交換器３６を経由してＣＯ変成
器５４へ供給される。ＣＯ変成器５４は反応ガス中にお
ける大部分の一酸化炭素を二酸化炭素へ変成する。この
とき、システム制御装置６２は流量制御弁３０の開へ同
期してブロア５８を予め駆動させている。従って、ＣＯ
除去器５６にはＣＯ変成器５４からの反応ガス及びブロ
ア５８からの空気が供給される。ＣＯ除去器５６は混合
ガス中の一酸化炭素を空気中の酸素と反応させて一酸化
炭素濃度を更に低下させる。またシステム制御装置６２
は、反応容器１８内の温度が７００〜８００°Ｃへ保た
れるように流量制御弁２４の開度を調整する。この際、
改質器１０の触媒反応管２２へ供給される天然ガス及び
水の温度が低い程、流量制御弁２４の開度を大きくして
ガスバーナ２０へ多量の天然ガスを供給する必要がある
ことから、改質気１０により消費される天然ガスが増加
してシステム全体の発電効率が低下する。

【００１７】燃料電池１２は、図１に示されるように送
気管６４によりブロア６６へ接続され、ポンプ６８が配
置された給水管７０により循環水タンク７２へ接続され
ている。また燃料電池１２にはＤＣ／ＤＣコンバータ７
４が接続され、このＤＣ／ＤＣコンバータ７４に対して
それぞれ直列にＤＣ／ＡＣインバータ７６及び二次電池
７８が接続されている。

【００１８】システム制御装置６２は、改質器１０から
燃料電池１２へ反応ガスが供給開始されると、ブロア６
６及びポンプ６８を駆動開始すると共に燃料電池１２に
対する電力負荷に応じて流量制御弁３０の開度を調整す
る。これにより、燃料電池１２内の水素極には水及び電
力負荷に応じた反応ガスが供給され、空気極には空気が
供給される。燃料電池１２は反応ガス中の水素を空気中
の酸素と反応させて外部負荷に応じた直流電力を出力す
る。燃料電池１２から出力される直流電力はＤＣ／ＤＣ
コンバータ７４により所定の電圧へ変換された後に、Ｄ
Ｃ／ＡＣインバータ７６により交流に変換されてシステ
ム外部へ供給される。二次電池７８へ蓄えられた直流電
力はシステム制御装置６２へ供給され、システム制御装
置６２によりシステムを構成した電気部品の制御及び駆
動のために用いられる。またシステム制御装置６２には
電力供給用の配電盤８０が接続されており、システム制
御装置６２は配電盤８０から供給される電力のみを用い
てヒータ４４を駆動する。

【００１９】燃料電池１２には、図１に示されるように
排水管８２、空気排出管８４及びガス排出管８６が接続
されている。燃料電池１２の空気極ではブロア６６によ
り供給された空気中の酸素が水素極から移動してきた水
素と反応して水が生成される。この空気極及び水素極か
らの排水は排水管８２を通して循環水タンク７２内へ戻
される。ここで、循環水タンク７２には常に一定量以上
の水が蓄えられるようにシステム外部から純水が補給さ
れる。燃料電池１２の空気極から排出される空気は空気
排出管８４を通して大気中へ放出される。一方、燃料電
池１２の水素極では反応ガスにおける水素のみが消費さ
れ、未水素と他のガスは、図２に示されるようにガス排
出管８６を通して改質器１０のガスバーナ２０へ供給さ
れ、ガスバーナ２４により天然ガスと共に一酸化炭素が
完全燃焼される。

【００２０】循環水タンク７２は、ポンプ８８が配置さ
れた給水管９０により貯水タンク４２へ接続されてい
る。ここで、貯水タンク４２には、タンク内の水位を検
出する水位センサ４２Ａ及び水温を検出する水温センサ
４２Ｂが配置されている。システム制御装置６２は、水
位センサ４２Ａからの検出信号により貯水タンク４２内
の水が所定の下限水位以下になったことを判断すると、
ポンプ８８を一定時間に亘って駆動して貯水タンク７２
から貯水タンク４２へ給水する。この貯水タンク７２
は、下限水位以上の水位が保たれている場合にはシステ
ムの発電開始から給水管４０の熱交換部４０Ａにより改
質器１０から十分高い回収熱量が得られるまでの期間に
亘って改質器１０へ給水が継続できる貯水容量を有して
いる。

【００２１】一方、給湯用タンク４８には開閉弁９２が
配置された給湯管９４及び水道管９６及びが接続されて
いる。ここで、開閉弁９２が開かれると給湯用タンク４
８内の温水がシステム外部へ供給され、給湯用タンク４
８から流出した温水と同量の水が水道管９６を通して給
湯用タンク４８へ補給される。

【００２２】（実施形態の作用）上記のように構成され
た本実施形態の燃料電池発電システムの動作及び作用に
ついて説明する。システム制御装置６２は、所定の深夜
時間帯にはシステムによる発電を停止し、この深夜時間
帯以外の時間帯には燃料電池１２により需要に応じた電
気エネルギーが発生するようにシステム全体を制御す
る。本実施形態では深夜時間帯が深夜２３時から翌朝７
時までの時間帯に設定される。この時間帯は、一般的に
電力会社に対する電力需要が略ベースレベルに維持さ
れ、かつ一般的な家庭においても電力需要がベースレベ
ルに維持される時間帯と略一致する。

【００２３】次に、図３に基づいて本実施形態に係るシ
ステム制御装置６２による発電停止から発電開始直後ま
での期間における制御ルーチンを説明する。

【００２４】ステップ２００でタイマ（図示省略）から
の信号により現在の時刻が深夜時間帯の開始時刻になっ
たことが通知されると、ステップ２０２で改質器１０へ
の天然ガス及び水の供給を停止させ、燃料電池１２によ
る発電を停止させる。ステップ２０４でＤＣ／ＤＣコン
バータ７４及びＡＣ／ＤＣインバータ７６をオフしてシ
ステム外部への電力供給を遮断する。この燃料電池発電
システムからの電力供給の遮断と同時に、システム外部
へは電力会社からの電力が供給されるようにパワーコン
ディショナ（図示省略）等により電力供給が切り替えら
れる。

【００２５】ステップ２０６でＤＣ／ＤＣコンバータ７
４及びＡＣ／ＤＣインバータ７６のオフと同期させてヒ
ータ４４へ電流を供給し、ヒータ４４によりジュール熱
を発生させて貯水タンク４２内の水を昇温開始する。こ
のとき、システム制御装置６２は、配電盤８０から供給
される交流電流を直流電流に変換してヒータ４４へ流
す。

【００２６】ステップ２０８では水温センサ４２Ｂによ
り検出された貯水タンク７２内の水温が予め設定されて
いる目標温度の上限値以上か否かを判断する。このと
き、貯水タンク７２内の水温が目標温度の上限値未満の
場合にはヒータ４４のオンを継続し、貯水タンク７２内
の水温が目標温度の上限値以上の場合にはステップ２１
０でヒータ４４をオフする。貯水タンク７２内の水温の
目標温度としては、例えば９０（下限値）〜１００（上
限値）°Ｃが設定されている。

【００２７】ステップ２１２では現在時刻が深夜時間帯
の終了時刻と以降か否を判断し、現在時刻が深夜時間帯
の終了時刻以降の場合には、ステップ２１４で改質器１
０への天然ガス及び水の供給を再開させ、燃料電池１２
による発電を開始させ、ステップ２１６でＤＣ／ＤＣコ
ンバータ７４及びＡＣ／ＤＣインバータ７６をオンして
システム外部への電力供給を再開する。

【００２８】またステップ２１２で現在時刻が深夜時間
帯の終了時刻へ達していない場合には、ステップ２１８
で水温センサ４２Ｂにより検出された貯水タンク７２内
の水温が目標温度の下限値未満か否かを判断する。この
とき、貯水タンク７２内の水温が目標温度の下限値以上
の場合にはステップ２１０へリターンしてヒータ４４の
オフを継続し、貯水タンク７２内の水温が目標温度の下
限値未満の場合にはステップ２０６へリターンしてヒー
タ４４をオンする。

【００２９】但し、上記制御ルーチンでは、発電開始の
時刻が深夜時間帯の終了時刻よりも遅れることがあるの
で、ステップ２０６〜２１２及びステップ２１８の何れ
の処理を実行中でも、システム制御装置６２により常に
現在時刻を監視させ、現在時刻が深夜時間帯の終了時刻
と一致したタイミングでステップ２１０，２１４，２１
６を実行させるようにしてもよい。また深夜時間帯の開
始時点で所要量の水を貯水タンク４２へ供給し、貯水タ
ンク４２を満水状態とし、深夜時間帯の終了時点で十分
な量の温水を確保するようにしてもよい。

【００３０】以上説明した本実施形態の燃料電池発電シ
ステムによれば、深夜時間帯にヒータ４４が貯水タンク
４２内の水を目標温度（９０〜１００°Ｃ）へ昇温する
ことにより、改質器１０へは十分な熱量が予め供給され
た水を天然ガスと共に供給できるので、改質器１０が水
及び天然ガスへ所要の反応熱を供給するために消費する
天然ガスを減少できる。この結果、改質器１０から排出
される熱量が少ない発電開始直後の期間に、改質器１０
へ供給される水の温度が低くなり改質器１０により消費
される天然ガスが増大することを防止できるので、シス
テムの発電効率の低下を効果的に防止できる。

【００３１】また、電力需要が低下する深夜時間帯（２
３時〜翌朝７時）には、電力需要の平準化という公益目
的へ合致する場合、電力会社から安価な深夜電力が供給
される可能性があることから、この深夜電力によりヒー
タ４４を駆動して貯水タンク４２の水を昇温すれば電力
消費に対して負担するトータルコストを低減することが
可能になる。

【００３２】なお、上記の本実施形態に係る記載では、
深夜時間帯にシステムによる発電を停止させると共にヒ
ータ４４により貯水タンク４２内の水を昇温させる制御
を行う場合のみを説明したが、深夜時間帯にもシステム
による発電を継続させ、改質器１０からの排出熱量が所
定の発電効率を維持するための熱量に対して不足する期
間にのみヒータ４４を駆動する制御を行ってもよい。こ
の制御によれば、改質器１０へ供給される水の温度が低
下して発電効率が低下することを防止できると共に、改
質器１０を長時間に亘って連続運転できるので、改質器
１０の停止／運転に伴う熱負荷を軽減して改質器１０の
寿命を延長できる。

【００３３】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の燃料電池
発電システムによれば、改質器から排出される熱量が少
ない停止状態から発電開始直後の期間にも、改質器へ十
分高温の水を供給して高い発電効率を維持できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施形態に係る燃料電池発電システム
の構成を示すブロック図である。

【図２】本発明の実施形態に係る燃料電池発電システム
における改質器の構成を示す断面図である。

【図３】本発明の実施形態に係るシステム制御装置によ
る発電停止から発電開始直後までの期間における制御ル
ーチンを示すフローチャートである。

【符号の説明】

１０ 改質器 １２ 燃料電池 １８ 反応容器 ２２ 触媒反応管 ４０ 給水管 ４０Ａ 熱交換部 ４２ 貯水タンク ４４ 触媒反応管 ６２ システム制御装置（ヒータ制御手段） ８０ 配電盤

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 水素原料及び水へ所定の反応熱を供給し
   水素原料に含まれる炭化水素又はアルコールを水と反応
   させて水素を発生する改質器と、 前記改質器から供給された水素を空気中の酸素と反応さ
   せて電気エネルギーを発生する燃料電池と、 前記改質器へ供給する水を蓄えた貯水タンクへ配置さ
   れ、駆動電流が供給されると共に前記貯水タンク内の水
   を昇温するヒータと、 を有することを特徴とする燃料電池発電システム。
2. 【請求項２】 前記ヒータを所定の深夜時間帯内にのみ
   駆動可能とし、前記深夜時間帯に前記貯水タンク内の水
   が予め設定された目標温度となるように前記ヒータの駆
   動を制御するヒータ制御手段を有することを特徴とする
   請求項１記載の燃料電池発電システム。