(57)【要約】【課題】需要先機器における要求負荷の変動に係わらず、セルの温度変動を抑制することができる燃料電池システムを提供する。【解決手段】燃料電池システムは、燃料電池と、化学蓄熱材１１１を収容可能な収容容器１１２と、収容容器１１２の周囲を取り囲む流体流路１１４と、収容容器１１２内に配置され、燃料電池からの電力で発熱可能なヒータ１１３とを有する蓄熱器１１と、水を供給可能な水供給部と、水供給部からの水を収容容器１１２へ流通させる水流通ラインＬ１と、燃料電池からの電力がヒータ１１３に供給されているときには、収容容器１１２への水の供給を停止して、ヒータ１１３からの熱供給により化学蓄熱材１１１に脱水反応を行わせ、燃料電池からの電力がヒータ１１３に供給されていないときには、収容容器１１２に水を供給して、化学蓄熱材１１１に水和反応を行わせるように、水供給部を制御可能な制御部と、を備える。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池と、
熱伝導性を有する材料からなり、吸熱により脱水反応するか又は水和反応により発熱する化学蓄熱材を収容可能な収容容器と、前記収容容器の周囲を取り囲むように形成された流体流路と、前記収容容器内に配置され、前記燃料電池からの電力にて発熱可能なヒータとを有する蓄熱器と、
水を供給可能な水供給部と、
前記水供給部からの水を前記収容容器へ流通させる水流通ラインと、
前記燃料電池からの電力が前記ヒータに供給されているときには、前記収容容器への水の供給を停止して、前記ヒータからの熱供給により前記化学蓄熱材に脱水反応を行わせ、前記燃料電池からの電力が前記ヒータに供給されていないときには、前記収容容器に水を供給して、前記化学蓄熱材に水和反応を行わせるように、前記水供給部を制御可能な制御部と、を備える燃料電池システム。
【請求項２】
前記流体流路には、水和反応により加熱可能な温度の水を前記流体流路に供給可能な被加熱水供給部が接続されている請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記流体流路には、水和反応により加熱可能な温度の空気を前記流体流路に供給可能な被加熱空気供給部が接続されている請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記制御部に接続された複数の切替え部をさらに備え、
前記ヒータには、前記燃料電池と系統電源とが前記各切替え部を介して電気的に接続され、
前記制御部は、前記燃料電池が発電していないときには、前記系統電源からの電力を前記ヒータに供給するように前記各切替え部に対して制御可能であり、前記燃料電池が発電しているときには、前記燃料電池からの電力を前記ヒータに供給するように前記各切替え部に対して制御可能な請求項１〜請求項３のいずれかに記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池と、蓄熱器とを備えた燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、燃料電池のアノードに供給されたアノードガスと、カソードに供給されたカソードガスとが化学反応することにより発電する。燃料電池は、電解質の違い等により数種類に分類される。電解質として固体酸化物を用いた燃料電池は、固体酸化物形燃料電池（以下、「ＳＯＦＣ」ともいう）と呼ばれる。このＳＯＦＣに関する技術として、発電する電力が少ない低負荷時には、発電する電力の大きい高負荷時よりも燃料利用率を低くするものが知られている（特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１０−９２８３６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ＳＯＦＣは、７００〜１０００℃程度の高温で動作する。高温で動作するＳＯＦＣにおいて、要求負荷の変動によるセルの温度変動は、セルやスタックを劣化させる要因の一つとなる。そのため、ＳＯＦＣでは、運転中における負荷の変動を出来るだけ小さくする必要がある。しかし、実際の運転では、燃料電池で発電された電力を消費する機器（以下、「需要先機器」ともいう）において要求負荷の変動が生じるため、セルの温度変動を小さくすることは難しい。
【０００５】
本発明は、需要先機器における負荷の変動に係わらず、セルの温度変動を抑制することができる燃料電池システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、燃料電池と、熱伝導性を有する材料からなり、吸熱により脱水反応するか又は水和反応により発熱する化学蓄熱材を収容可能な収容容器と、前記収容容器の周囲を取り囲むように形成された流体流路と、前記収容容器内に配置され、前記燃料電池からの電力にて発熱可能なヒータとを有する蓄熱器と、水を供給可能な水供給部と、前記水供給部からの水を前記収容容器へ流通させる水流通ラインと、前記燃料電池からの電力が前記ヒータに供給されているときには、前記収容容器への水の供給を停止して、前記ヒータからの熱供給により前記化学蓄熱材に脱水反応を行わせ、前記燃料電池からの電力が前記ヒータに供給されていないときには、前記収容容器に水を供給して、前記化学蓄熱材に水和反応を行わせるように、前記水供給部を制御可能な制御部と、を備える燃料電池システムに関する。
【０００７】
また、前記流体流路には、水和反応により加熱可能な温度の水を前記流体流路に供給可能な被加熱水供給部が接続されていることが好ましい。
【０００８】
また、前記流体流路には、水和反応により加熱可能な温度の空気を前記流体流路に供給可能な被加熱空気供給部が接続されていることが好ましい。
【０００９】
また、燃料電池システムは、前記制御部に接続された複数の切替え部をさらに備え、前記ヒータには、前記燃料電池と系統電源とが前記各切替え部を介して電気的に接続され、前記制御部は、前記燃料電池が発電していないときには、前記系統電源からの電力を前記ヒータに供給するように前記各切替え部に対して制御可能であり、前記燃料電池が発電しているときには、前記燃料電池からの電力を前記ヒータに供給するように前記各切替え部に対して制御可能とすることが好ましい。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、需要先機器における要求負荷の変動に係わらず、セルの温度変動を抑制することができる燃料電池システムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】実施形態における燃料電池システム１の全体構成図である。
【図２】蓄熱器１１の概略構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明に係る燃料電池システムの実施形態を、図面を参照しながら説明する。図１は、本実施形態における燃料電池システム１の全体構成図である。図２は、蓄熱器１１の概略構成図である。
【００１３】
図１に示すように、燃料電池システム１は、燃料電池１０と、蓄熱器１１と、水供給部としての反応水供給部１２と、被加熱水供給部１３と、系統電源１４と、複数の切替え部１５と、制御部１６と、を備える。また、燃料電池システム１は、水流通ラインとしての反応水供給ラインＬ１と、被加熱水供給ラインＬ２と、蒸気排出ラインＬ３と、水蒸気排出ラインＬ４と、を備える。なお、「ライン」とは、流路、経路、管路等の総称である。図１では、電気的な接続の経路を破線で示す。電気的な接続の経路については、符号を省略する。
【００１４】
燃料電池１０は、アノード側に供給されたアノードガス及びカソード側に供給されたカソードガスを反応させて発電する。本実施形態の燃料電池１０は、高温で動作するＳＯＦＣ（固体酸化物形燃料電池）である。燃料電池１０の発電により得られた直流電力は、例えば、ＤＣ／ＡＣコンバータ等（不図示）を介して交流電力に変換され、需要先機器（不図示）へ供給される。また、燃料電池１０において、需要先機器の要求負荷が低下した場合に発生する余剰電力（直流電力）は、蓄熱器１１へ供給される。なお、図１では、燃料電池１０から蓄熱器１１への電気的な経路のみ図示し、アノードガス及びカソードガスの供給ライン等の図示を省略する。
【００１５】
蓄熱器１１は、燃料電池１０から余剰電力が供給された場合には、内部の蓄熱材１１１（後述）において脱水反応が行われ、燃料電池１０から電力が供給されない場合には、蓄熱材１１１において水和反応が行われる。脱水反応においては、蓄熱材１１１に熱が蓄熱される。水和反応においては、蓄熱材１１１から熱が放出されるため、収容容器１１２（後述）が加熱される。
【００１６】
ここで、蓄熱器１１の構成について、図２を参照しながら説明する。図２に示すように、蓄熱器１１は、化学蓄熱材としての蓄熱材１１１と、収容容器１１２と、ヒータ１１３と、流体流路１１４と、を備える。また、蓄熱器１１には、反応水供給ラインＬ１、被加熱水供給ラインＬ２、蒸気排出ラインＬ３、及び水蒸気排出ラインＬ４が接続されている。
【００１７】
蓄熱材１１１は、吸熱により脱水反応するか又は水和反応により発熱する性質を有する化学物質である。蓄熱材１１１は、需要先機器の要求負荷が低下した場合には、ヒータ１１３（後述）からの熱供給により脱水反応を生じる。また、蓄熱材１１１は、需要先機器の要求負荷が増加した場合には、反応水供給部１２（図１参照）から反応水供給ラインＬ１（後述）を介して供給された反応水Ｗ１により水和反応を生じる。
【００１８】
蓄熱材１１１の例としては、水酸化カルシウム、水酸化マグネシウム、塩化カルシウム、酸化カルシウム及び酸化マグネシウム等を挙げることができる。これらの蓄熱材１１１は、２種以上のものを適宜に併用することもできる。蓄熱材１１１に、例えば、水酸化カルシウムを用いた場合、水酸化カルシウムは、ヒータ１１３（後述）からの熱供給により脱水され、酸化カルシウムへと変化する。その酸化カルシウムは、反応水供給ラインＬ１（後述）を介して供給された反応水Ｗ１により水和反応を生じて、水酸化カルシウムへと変化する。
【００１９】
収容容器１１２は、蓄熱材１１１を収容する金属性の容器である。蓄熱器１１には、４個の収容容器１１２が配置される。本実施形態の収容容器１１２は同一構成であるため、図２では、一つの収容容器に符号を付す（以下、４個の収容容器１１２を適宜に「収容容器１１２」と総称する）。収容容器１１２には、反応水供給ラインＬ１（後述）の下流側の端部が分岐して接続されている。また、収容容器１１２には、水蒸気排出ラインＬ４（後述）の上流側の端部が分岐して接続されている。
【００２０】
ヒータ１１３は、燃料電池１０から供給される余剰電力により発熱する部材である。蓄熱器１１には、４個のヒータ１１３が配置される。本実施形態のヒータ１１３は同一構成であるため、図２では、一つのヒータに符号を付す（以下、４個のヒータ１１３を適宜に「ヒータ１１３」と総称する）。ヒータ１１３は、それぞれ対応する収容容器１１２内に配置される。ヒータ１１３は、燃料電池１０の余剰電力出力端子（不図示）と電気的に接続されている。
【００２１】
燃料電池１０において、需要先機器の要求負荷が低下した場合に発生する余剰電力は、それぞれのヒータ１１３へ供給される。すなわち、ヒータ１１３は、需要先機器の要求負荷が低下した場合に、燃料電池１０から供給される余剰電力により発熱する。また、ヒータ１１３は、燃料電池１０が発電していない場合には、系統電源１４（図１参照）から供給される電力により発熱する。蓄熱材１１１は、ヒータ１１３の熱を吸熱して脱水反応することにより、ヒータ１１３の熱を化学蓄熱することができる。なお、需要先機器の要求負荷が増加した場合には、燃料電池１０において余剰電力が発生しないため、ヒータ１１３に余剰電力は供給されない。なお、燃料電池１０からヒータ１１３への余剰電力の供給は、蓄熱器１１において水和反応が行われていない場合に実施される。
【００２２】
流体流路１１４は、収容容器１１２の周囲を取り囲むように形成されている。流体流路１１４には、被加熱水供給ラインＬ２（後述）の下流側の端部が接続されている。また、流体流路１１４には、蒸気排出ラインＬ３（後述）の上流側の端部が接続されている。
【００２３】
燃料電池１０からの電力がヒータ１１３に供給されていない場合において、被加熱水供給部１３（図１参照）から被加熱水供給ラインＬ２を介して流体流路１１４に供給された被加熱水Ｗ２は、高温の収容容器１１２との熱交換により加熱される。被加熱水Ｗ２は、収容容器１１２で加熱されることにより蒸気Ｗ３となり、蒸気排出ラインＬ３（後述）を介して蒸気Ｗ３の需要箇所へ送られる。
【００２４】
再び、図１に戻って燃料電池システム１の構成について説明する。
反応水供給部１２は、蓄熱器１１に反応水Ｗ１を供給する。反応水Ｗ１としては、水道水、地下水等が用いられる。反応水供給部１２は、制御部１６と電気的に接続されている。反応水供給部１２から蓄熱器１１への反応水Ｗ１の供給は、制御部１６から出力される駆動信号により制御される。
【００２５】
反応水供給ラインＬ１は、反応水供給部１２から供給された反応水Ｗ１を、蓄熱器１１の収容容器１１２へ流通させるラインである。反応水供給ラインＬ１の上流側の端部は、反応水供給部１２における反応水Ｗ１の出口端（不図示）に接続されている。また、反応水供給ラインＬ１の下流側の端部は、蓄熱器１１の収容容器１１２に接続されている（図２参照）。
【００２６】
被加熱水供給部１３は、蓄熱材１１１（蓄熱器１１）の水和反応により加熱可能な温度の被加熱水Ｗ２を、蓄熱器１１の流体流路１１４に供給する。被加熱水Ｗ２としては、水道水、地下水等が用いられる。被加熱水供給部１３は、制御部１６と電気的に接続されている。被加熱水供給部１３から蓄熱器１１への被加熱水Ｗ２の供給は、制御部１６から出力される駆動信号により制御される。
【００２７】
被加熱水供給ラインＬ２は、被加熱水供給部１３から供給された被加熱水Ｗ２を、蓄熱器１１の流体流路１１４へ流通させるラインである。被加熱水供給ラインＬ２の上流側の端部は、被加熱水供給部１３における被加熱水Ｗ２の出口端（不図示）に接続されている。また、被加熱水供給ラインＬ２の下流側の端部は、蓄熱器１１の流体流路１１４に接続されている（図２参照）。
【００２８】
蒸気排出ラインＬ３は、蒸気Ｗ３を需要箇所へ送出するラインである。蒸気排出ラインＬ３の上流側の端部は、蓄熱器１１における流体流路１１４の蒸気取り出し口（不図示）に接続されている。蒸気排出ラインＬ３の下流側の端部は、蒸気Ｗ３の需要箇所に設置された装置に接続されている。
【００２９】
水蒸気排出ラインＬ４は、ヒータ１１３からの熱供給により蓄熱材１１１に脱水反応を生じさせたときに、蓄熱材１１１で発生する水蒸気Ｗ４を外部に排出するラインである。
【００３０】
系統電源１４は、需要先機器の要求負荷が増加して、燃料電池１０の発電量が予め設定された上限発電量を越える場合に、不足する分の電力を需要先機器へ供給する。また、系統電源１４からの電力は、燃料電池１０が発電していない場合には、複数の切替え部１５を介して蓄熱器１１へ供給される。
【００３１】
各切替え部１５は、蓄熱器１１へ供給する電力の供給元を切替える装置であり、燃料電池１０又は系統電源１４から供給される電力のうち、いずれかの電力を蓄熱器１１へ供給する。すなわち、各切替え部１５は、蓄熱器１１へ電力を供給する経路として、燃料電池１０から蓄熱器１１へ電力を供給する経路又は系統電源１４から蓄熱器１１へ電力を供給する経路のいずれかの経路への切替えを行う。各切替え部１５は、制御部１６と電気的に接続されている。各切替え部１５における経路の切替えは、制御部１６から出力される切替え信号により制御される。
【００３２】
制御部１６は、需要先機器の負荷の変動に応じて、蓄熱器１１に供給される電力の経路を切替えると共に、反応水供給部１２からの反応水Ｗ１の供給、及び被加熱水供給部１３からの被加熱水Ｗ２の供給等を制御する。制御部１６は、ＣＰＵ及びメモリを含むマイクロプロセッサ（不図示）により構成される。
【００３３】
制御部１６は、燃料電池１０からの電力がヒータ１１３に供給されている場合、すなわち需要先機器の要求負荷が低下して余剰電力が発生した場合には、収容容器１１２への反応水Ｗ１の供給を停止して、ヒータ１１３からの熱供給により蓄熱材１１１に脱水反応を行わせるように制御する。一方、制御部１６は、燃料電池１０からの電力がヒータ１１３に供給されていない場合、すなわち需要先機器の要求負荷が増加して余剰電力が発生しない場合には、蓄熱器１１の収容容器１１２へ反応水Ｗ１を供給させて、蓄熱材１１１に水和反応を行わせるように反応水供給部１２を制御する。また、制御部１６は、燃料電池１０からの電力がヒータ１１３に供給されていない場合には、蓄熱器１１の流体流路１１４へ被加熱水Ｗ２を供給するように被加熱水供給部１３を制御する。
【００３４】
また、制御部１６は、燃料電池１０が発電していない場合には、系統電源１４からの電力がヒータ１１３に供給されるように、各切替え部１５における経路の切替えを制御する。この場合に、各切替え部１５は、蓄熱器１１へ電力を供給する経路として、系統電源１４から蓄熱器１１へ電力を供給する経路に切替えられる。一方、制御部１６は、燃料電池１０が発電している場合には、燃料電池１０からの余剰電力がヒータ１１３に供給されるように、各切替え部１５における経路の切替えを制御する。この場合に、各切替え部１５は、蓄熱器１１へ電力を供給する経路として、燃料電池１０から蓄熱器１１へ電力を供給する経路に切替えられる。
【００３５】
なお、制御部１６は、燃料電池１０が発電していない場合には、系統電源１４からの電力量に応じて、系統電源１４から蓄熱器１１へ供給する経路に切替える切替え部１５の個数を変更する。また、制御部１６は、燃料電池１０が発電している場合には、燃料電池１０で発生した余剰電力量に応じて、燃料電池１０から蓄熱器１１へ電力を供給する経路に切替える切替え部１５の個数を変更する。
【００３６】
次に、上記燃料電池システム１の動作について説明する。
燃料電池１０の運転中において、需要先機器の要求負荷が低下すると、制御部１６は、燃料電池１０で発生した余剰電力を、蓄熱器１１のヒータ１１３へ供給させる。蓄熱器１１のヒータ１１３は、燃料電池１０から供給された余剰電力により発熱する。ヒータ１１３が発熱すると、収容容器１１２に収容された蓄熱材１１１は、ヒータ１１３からの熱供給により脱水反応を生じる。この脱水反応により、ヒータ１１３の熱が蓄熱材１１１に化学蓄熱される。
【００３７】
一方、燃料電池１０の運転中において、需要先機器の要求負荷が増加すると、燃料電池１０において余剰電力が発生しなくなる。そのため、制御部１６は、蓄熱器１１の収容容器１１２へ反応水Ｗ１を供給させて、蓄熱材１１１に水和反応を行わせるように反応水供給部１２を制御する。蓄熱材１１１は、反応水供給部１２から供給された反応水Ｗ１により水和反応を生じる。この水和反応により蓄熱材１１１から熱が放出され、収容容器１１２が加熱される。これにより、流体流路１１４に供給された被加熱水Ｗ２は、高温の収容容器１１２との熱交換により加熱されて蒸気Ｗ３となり、蒸気排出ラインＬ３を介して需要箇所へ送られる。
【００３８】
また、燃料電池１０が発電していない場合に、制御部１６は、系統電源１４からの電力がヒータ１１３に供給されるように、各切替え部１５における経路の切替えを制御する。これにより、燃料電池１０が発電していない場合でも、蓄熱器１１のヒータ１１３は、系統電源１４から供給された電力により発熱するため、ヒータ１１３の熱が蓄熱材１１１に化学蓄熱される。
【００３９】
上述した実施形態における燃料電池システム１によれば、例えば、以下のような効果が得られる。
【００４０】
燃料電池システム１において、需要先機器の要求負荷が低下した場合、燃料電池１０で発生した余剰電力は、ヒータ１１３の発熱に利用される。これによれば、需要先機器の要求負荷が低下した場合でも、燃料電池１０の発電量を落とす必要がないため、燃料電池１０の発電量をほぼ同じレベルに保つことができる。そのため、燃料電池システム１においては、需要先機器における要求負荷の変動に係わらず、セルの温度変動を抑制することができる。これにより、セルやスタックの劣化が抑制されるので、燃料電池１０の寿命を延ばすことができる。
【００４１】
燃料電池システム１において、余剰電力により生じたヒータ１１３の熱は、蓄熱材１１１に化学蓄熱される。そのため、蓄熱器１１において、余剰電力により生じた熱エネルギーを長時間に亘って蓄熱することができる。また、燃料電池システム１においては、蓄熱材１１１として、水酸化カルシウム、水酸化マグネシウム、塩化カルシウム、酸化カルシウム及び酸化マグネシウム等を用いているため、システムを安価に作製することができる。
【００４２】
燃料電池システム１は、需要先機器の要求負荷が増加した場合には、蓄熱材１１１に化学蓄熱した熱により蒸気Ｗ３を発生させる。そのため、燃料電池システム１は、需要先機器の要求負荷が低下したときに発生した余剰電力を有効に利用することができる。
【００４３】
燃料電池システム１は、燃料電池１０が発電していない場合でも、系統電源１４からの電力がヒータ１１３に供給される。そのため、燃料電池システム１は、例えば、系統電源１４から供給される夜間の電力を利用して、蓄熱材１１１に蓄熱することができる。従って、燃料電池システム１は、熱エネルギーの需要が多くなる昼間等において、需要箇所により多くの蒸気Ｗ３を供給することができる。
【００４４】
以上、本発明の好ましい実施形態について説明した。しかし、本発明は、上述した実施形態に限定されることなく、種々の形態で実施することができる。
【００４５】
本実施形態では、蓄熱材１１１の水和反応により加熱可能な温度の被加熱水Ｗ２を、蓄熱器１１の流体流路１１４に供給する例について説明した。これに限らず、水和反応により加熱可能な温度の空気を、蓄熱器１１の流体流路１１４に供給可能な被加熱空気供給部を設けた構成としてもよい。この場合には、蒸気Ｗ３の代わりに、蓄熱器１１から高温空気が排出される。
【００４６】
本実施形態では、蓄熱器１１において、ヒータ１１３（及び収容容器１１２）を４個配置した例について説明した。これに限らず、ヒータ１１３（及び収容容器１１２）の数は、燃料電池１０の発電量等に応じて適宜に設定することができる。
【００４７】
本実施形態では、収容容器１１２を金属製の容器とした例について説明した。これに限らず、収容容器１１２は、熱伝導性を有する非金属材料により構成されていればよい。
【００４８】
本実施形態では、燃料電池１０を、ＳＯＦＣ（固体酸化物形燃料電池）で構成する例について説明した。これに限らず、燃料電池システム１には、高温で動作する燃料電池一般を適用することができる。
【符号の説明】
【００４９】
１  燃料電池システム
１０  燃料電池
１１  蓄熱器
１２  反応水供給部（水供給部）
１３  被加熱水供給部
１４  系統電源
１５  切替え部
１６  制御部
１１１  蓄熱材（化学蓄熱材）
１１２  収容容器
１１３  ヒータ
１１４  流体流路
Ｌ１  反応水供給ライン（水流通ライン）
Ｌ２  被加熱水供給ライン
Ｌ３  蒸気排出ライン
Ｗ１  反応水
Ｗ２  被加熱水
Ｗ３  蒸気
【図１】
2014102975.tif 000003
【図２】
2014102975.tif 000004