(57)【要約】【課題】  各需要家に燃料電池を設置した場合のメリットと、多くの需要家をまとめて大型の燃料電池を設置した場合のメリットとを併せ持つ燃料電池システムを低コストで提供する。【解決手段】  所定のローカルエリア内に存在する複数の需要家Ａ〜ＨはＰＥＦＣユニット２００、ＳＯＦＣユニット３００、若しくは一般ガス器具６００を個別的に備える。前記ＰＥＦＣユニット２００及びＳＯＦＣユニット３００は改質装置を備えておらず、集中型燃料ガス供給１０にて一括的に改質ガスを精製し、各需要家に対してアキュムレータ１２０を介して改質ガスを供給する。【選択図】      図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
商用ガス供給系統に接続され燃料電池の駆動源となる燃料ガスを精製する燃料ガス供給設備と、所定のローカルエリア内に存在する複数の需要家に分散配置された燃料電池ユニットとを具備する燃料電池システムであって、
前記燃料ガス供給設備は、前記各需要家にそれぞれ燃料ガスを供給可能とされた各燃料電池ユニット共通の集中型燃料ガス供給設備であり、
前記燃料電池ユニットは、少なくとも各需要家内の電力負荷に供給する電力を発電する個別型燃料電池ユニットであることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記集中型燃料ガス供給設備が、炭化水素系燃料を水素リッチな改質ガスに変換する改質装置を備え、前記改質ガスが各需要家に配置されている燃料電池ユニットに供給される構成とされていることを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記集中型燃料ガス供給設備が、前記改質ガス中の一酸化炭素濃度を１００ｐｐｍ以下とする一酸化炭素除去器をさらに備えることを特徴とする請求項２記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記改質装置において改質反応を惹起させる加熱源として用いられるバーナの燃料として、当該改質装置にて精製される改質ガスが用いられることを特徴とする請求項２記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記集中型燃料ガス供給設備による燃料ガス供給系統に、燃料電池ユニットを具備しない一般需要家を含ませてなり、
前記一般需要家に対しては、該一般需要家が備える一般ガス機器に集中型燃料ガス供給設備にて精製される燃料ガスが供給される構成とされていることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記集中型燃料ガス供給設備による燃料ガス供給系統に、供給される燃料ガスから水素ガスを精製する水素ガス精製装置と、該水素ガス精製装置にて精製された水素ガスを貯蔵する水素ガス貯蔵装置とを具備する水素ガス供給設備を接続したことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項７】
各々燃料ガス供給系統を有する集中型燃料ガス供給設備が複数設けられ、
これら集中型燃料ガス供給設備によりそれぞれ精製される燃料ガスが、他の燃料ガス供給系統へも供給可能とするための連絡配管路が設けられていることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項８】
燃料電池の駆動源となる燃料ガスを精製する燃料ガス供給設備と、複数の需要家に分散配置された燃料電池ユニットと、前記需要家への電力供給系統を相互接続する共用電力系統とを具備する燃料電池システムであって、
前記燃料ガス供給設備は、前記需要家にそれぞれ燃料ガスを供給可能とされた各燃料電池ユニット共通の集中型燃料ガス供給設備であり、
前記各燃料電池ユニットによる発電電力が、前記共用電力系統に対して供給可能とされていることを特徴とする燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、戸建て住宅若しくは集合住宅等の一般家庭や、小口業務用設備等に分散配置されている標準的な小型燃料電池ユニットに対し、駆動源となる燃料ガスを集中化した燃料供給システムから供給するようにした燃料電池システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、一般家庭や業務設備に対する電力や熱（温水等）の供給方式としては、図１３（ａ）に示すように、電力については商用電力系統から購入し、また温水等については都市ガス燃料、ＬＰＧや灯油を燃料として給湯器で温水を製造したり、電気温水器により製造したりして供給する方式が一般的であった。しかし、近年、家庭や業務用の電力・熱供給システムとして、固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）や固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）等の燃料電池システムが導入されつつある。このような燃料電池システムは、図１３（ｂ）に示すように、都市ガス、ＬＰＧ又は灯油等を燃料として電気と温水を発生するシステムであり、発電された電気は電力として電気機器に利用される（なお、不足する電気は商用電力系統からより購入される）。また、燃料電池の排熱等を利用して生成された湯は貯湯タンクに蓄えられ、需要家内の給油系統に供給される。このように、燃料電池ユニットは、１台で電気と熱との双方を供給する機能を備えている。現在、家庭用燃料電池としては５００Ｗ〜１ｋＷ、業務用燃料電池としては３〜５ｋＷ，３０ｋＷ級の発電容量の機種が開発されている。
【０００３】
図１４は、家庭用固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）を利用した燃料電池システム９００の概念図を示している。この燃料電池システム９００においては、都市ガスを燃料としてＰＥＦＣ９０１で発電動作が行われ、該ＰＥＦＣ９０１にて発生された電力はパワーコンディショナー等を介して家庭の電気機器、例えばテレビ９０２、エアコン９０３、冷蔵庫９０４及び照明器具９０５などに供給される。なお、ＰＥＦＣ９０１による発生電力が不足する場合は、商用電力系統から電力の供給を受けることになる。一方、発生電力が余剰となる場合は、電力事業者との契約で、商用電力として商用電力系統に逆潮流されるケースがあるものの、このような逆潮流が許容されないケースもあり、この場合余剰電力は活用されないことになる。
【０００４】
またＰＥＦＣ９０１は、発電時に熱（排熱）も同時に発生するために、その熱を利用して温水を生成して小型貯湯槽９１１に蓄えておき、必要に応じて風呂９１２、温水暖房機器９１３，台所の給湯機器９１４、温水床暖房装置９１５等に供給される。なお、ＰＥＦＣ９０１により発生される熱量が不足する場合には、都市ガスを用いて小型貯湯槽９１１の温水が追い焚きされる。
【０００５】
このような用途に用いられる燃料電池の形式としては、上記固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ９０１）に限られず、動作温度が異なるために特性が異なるが、りん酸形燃料電池（ＰＡＦＣ）、溶融炭酸塩形燃料電池（ＭＣＦＣ）、固体電解質形燃料電池（ＳＯＦＣ）等も用いることができる。図１５は、これら燃料電池の特徴を、それぞれの形式毎に示している。
【０００６】
ところで、燃料電池には、都市ガス等の炭化水素系燃料を水素リッチな改質ガスに変換する改質装置が付設されるのが一般的である。これに対し、例えば特許文献１には、既存の都市ガス導管ネットワークを活用して水素ガスを長距離輸送し、その末端に家庭用燃料電池システムを接続する技術が開示されている。
【特許文献１】特開２００２−２３５９００号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
電力負荷や暖房・給湯などの熱負荷は時々刻々と変移するものであり、特に一般家庭などの小口需要家では時間的な変動が大きくなる。とりわけ電力負荷については、家庭内の電気器具類は頻繁に起動停止されることから、秒単位の短い時間で大きく変動することとなる。図１６（ａ）は、一戸建の一般住宅における電気負荷を秒単位で測定した電力負荷変動状態を示している。図示する通り、一戸建住宅では、絶えず大きな電力負荷変動が生じており、この測定例では最低負荷は３００Ｗ程度で、最高負荷は３０００Ｗ程度であって、最大１０倍の変動がある。
【０００８】
しかし、改質装置を持つタイプの家庭用燃料電池の負荷追従性能は１０％／分程度が限界であり、上述のような瞬時の負荷変動に追従して運用させることはできない。このため、家庭用燃料電池は電力系統と系統連系を行い、急激な負荷変化分は商用電力系統からの供給を受けるか、バッテリ等のバックアップ電源を併設して、急激な負荷変化分については前記バックアップ電源で対応する構成とする必要がある。通常は商用電力系統との系統連係が行われるが、不足する電力を購入したり、逆潮流が許容されない場合は余剰電力が発生したりするために経済的運用ができない問題がある。さらに、改質装置は起動時間が長く、電力や熱需要に対して燃料電池システムの起動停止を頻繁に行うことができず、深夜などの電力負荷や熱需要が少ないときにも燃料電池を効率の低い最低負荷で運転する必要性があり、経済性が悪化するという問題もある。
【０００９】
加えて、個々の住宅において、家族の構成人数、年齢、生活スタイル等により電力負荷パターンにかなりの相違があるため、個々の家庭に適した発電容量や熱容量の燃料電池設備容量を検討して設置する必要性が生じ、また経時的に電気や熱負荷需要量が変わった場合には最適な燃料電池容量が変わるために、機種交換等の買い換え等が必要になるという不都合もある。また、冬季のように電気負荷以上に熱が大量に必要な場合は、電気負荷以上には燃料電池の電力出力を高く設定できず、逆に夏季のような熱負荷はないが電気が大量に必要な場合でも、熱負荷以上には燃料電池の発生電力の出力を高くできず、燃料電池システムの運用が制約されるという問題もある。
【００１０】
一方、図１６（ｂ）は、集合住宅全体で測定した電力負荷変動状態である。かかる集合住宅では、一戸建住宅に比べて負荷変化曲線は平滑化されており、この測定例では最低負荷は８０００Ｗ程度で、最高負荷は３００００Ｗ程度であって、約３．８倍の変動幅に収まっている。これは、集合住宅では多様な家庭が集合しているために、電力・熱負荷が全体としてみれば平準化されるからである。従って、一般住宅へ燃料電池を導入する場合でも、家庭一戸ごとに独立して１基の燃料電池を導入するよりも、複数戸の集合住宅に１基の大型燃料電池を導入し、集中して電気と熱とを製造して供給するシステムとすることが、設備利用率を向上でき、また経済性の面でも好ましくなるとも考えられる。
【００１１】
しかしながら、改質装置を伴う大型の燃料電池システムをローカルエリア内に存在する需要家のために設置した場合、電力供給の面では問題ないが、排熱も集中して発生するために大型の貯湯槽が必要となる。また、各需要家に熱を供給するための熱供給配管が必要となり、熱供給配管からの熱損失、移送動力、配管の設備コストが高くなり、結局経済的なシステムを構築できないという根本的な問題がある。
【００１２】
他方、例えば特許文献１に開示されているように、燃料電池を各家庭に配置する一方で、当該燃料電池には改質装置を付設せず、都市ガス導管ネットワークを活用して水素ガスを長距離輸送して供給する手法によれば、必要に応じて個別の燃料電池に水素ガスを供給することは一応可能ではある。しかし、やはり水素ガスを長距離輸送することについての危険性は払拭できず、また安全化コストが膨大となり、実際にこのような大規模システムを構築するのはきわめて困難である。
【００１３】
従って本発明は、上述したような各需要家に燃料電池を設置した場合のメリットと、多くの需要家をまとめて大型の燃料電池を設置した場合のメリットとを併せ持つ燃料電池システムを低コストで提供することを目的とする。すなわち、個々の家庭毎に燃料電池を分散配置して各需要家で電気と熱の個別消費を可能とする一方で、各々の燃料電池に対する燃料ガスの供給は集中化した燃料供給システムから供給してローカルエリア全体で運用制御ができるような燃料電池システムを構築することで、過剰な発電設備を少なくして、効率的な運用を可能とすることを技術的課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明の請求項１にかかる燃料電池システムは、商用ガス供給系統に接続され燃料電池の駆動源となる燃料ガスを精製する燃料ガス供給設備と、所定のローカルエリア内に存在する複数の需要家に分散配置された燃料電池ユニットとを具備する燃料電池システムであって、前記燃料ガス供給設備は、前記各需要家にそれぞれ燃料ガスを供給可能とされた各燃料電池ユニット共通の集中型燃料ガス供給設備であり、前記燃料電池ユニットは、少なくとも各需要家内の電力負荷に供給する電力を発電する個別型燃料電池ユニットであることを特徴とする。
【００１５】
本発明にかかる燃料電池システムと、従来の一般的な燃料電池システムとの相違について、図１及び図２に基づいて大略的に説明する。図１は、一般的な燃料電池システムを示すブロック図である。このシステムにおいて、燃料電池システム部８００は、燃料電池部８０１と、該燃料電池部８０１に改質ガスを供給する改質装置８０２と、これらの動作を制御する制御部８０３と、燃料電池部８０１の排熱を利用して温水を生成する貯湯槽８０４とからなる。そして、燃料電池部８０１で発電される電気は、需要家内の電気機器８１１で利用され、また貯湯槽８０４内の温水は給湯設備等の熱需要機器８１２で利用されるようになっている。かかるシステムでは、都市ガス等の原燃料が改質装置８０２へ導入され、該改質装置８０２にて改質ガスが精製されて燃料電池部８０１に供給される。つまり、各需要家が個別に備える燃料電池システム部８００に、それぞれ改質装置８０２が具備されており、各々の需要家ごとに改質ガスを精製する構成である。前述した通り、かかる構成では需要家（特に小口需要家）の負荷変動に追従して運用するのが困難である。
【００１６】
一方図２は、本発明にかかる燃料電池システムの一例を示すブロック図である。所定のローカルエリア内（例えば集合住宅や一定範囲の地区内に存在する一戸建住宅群）に存在する（小口）需要家Ａ、Ｂには、それぞれ燃料電池ユニット７００ａ、７００ｂが個別に備えられているが、これら燃料電池ユニット７００ａ、７００ｂに対して、共通の集中型燃料ガス供給設備（集中型改質装置１０）から例えば改質ガス等が一元的に供給される構成である。すなわち、燃料電池ユニット７００ａ、７００ｂは、燃料電池部７０１ａ、７０１ｂ、制御部７０３ａ、７０３ｂ及び貯湯槽７０４ａ、７０４ｂからなり、個別の改質装置は具備されておらず、制御部１０Ａの制御下において集中型改質装置１０にて原燃料から改質ガスを精製し、これを需要家Ａ、Ｂに向けて供給する構成である。そして、各燃料電池ユニット７００ａ、７００ｂで発生された電力や熱は、各需要家Ａ、Ｂが備えている電気機器７１１ａ、７１１ｂや熱需要機器７１２ａ、７１２ｂにて消費されるものである。
【００１７】
家庭用等の各小口需要家での熱利用に対しては、熱需要箇所である需要家内に燃料電池設備を設置して熱を取り出すようにすることが、熱供給配管が不要にでき、また熱損失も抑制できるという観点から最も経済的である。一方、燃料ガス供給装置はスケールメリットが大きく、効率が高く、小さい燃料ガス変動に対しても余力のある集中型を設置するほうが実用的である。このような点に鑑みて本発明では、各需要家サイトには改質装置のない小型燃料電池ユニット７００ａ、７００ｂを分散して設置する一方で、改質ガスの供給については集中型燃料ガス供給装置（集中型改質装置１０）にて一括供給し、需要家毎に独自で電力負荷（電気機器７１１ａ、７１１ｂ）や熱負荷（熱需要機器７１２ａ、７１２ｂ）に対して運転できるシステム構成としたものである。
【００１８】
かかる構成によれば、各小型燃料電池ユニット７００ａ、７００ｂは個別に運転しても、数台、数十台、数百台の小型燃料電池ユニット全体としての燃料ガス供給量は平滑化される（つまり、全体としてみれば急激な負荷変動は生じない）ために、集合化した燃料ガス供給装置では緩やかな運転が可能となり、経済的な運用を行うことが可能となる。なお、燃料電池ユニットとしては一種類の燃料電池に限定されることなく、発電容量、発電効率、排熱効率、起動時間等の異なる複数のユニットや固体高分子形や固体電解質形等の異なる燃料電池形式の標準ユニットを組み合わせて使用することもできる。
【００１９】
請求項２にかかる燃料電池システムは、請求項１において、前記集中型燃料ガス供給設備が、炭化水素系燃料を水素リッチな改質ガスに変換する改質装置を備え、前記改質ガスが各需要家に配置されている燃料電池ユニットに供給される構成とされていることを特徴とする。この構成によれば、集中型燃料ガス供給設備から各需要家に対して水素リッチな改質ガスが供給されるので、各需要家に備えられている燃料電池ユニットで直ちに利用可能な状態で燃料ガスが供給されるようになる。
【００２０】
請求項３にかかる燃料電池システムは、請求項２において、前記集中型燃料ガス供給設備が、前記改質ガス中の一酸化炭素濃度を１００ｐｐｍ以下とする一酸化炭素除去器をさらに備えることを特徴とする。ここで一酸化炭素除去器としては、例えば一酸化炭素選択酸化器や一酸化炭素吸着器等の、一酸化炭素濃度を低減できる機能を具備していれば良く、その形式等に制限はない。この構成によれば、集中型燃料ガス供給設備から供給される改質ガスを、水素リッチで、かつ低一酸化炭素濃度の改質ガス組成とできるので、各需要家に分散配置する燃料電池ユニットとして、起動時間が短く且つ起動停止回数の制約が少ない利点がある固体高分子形燃料電池が使用可能になる。さらに、低一酸化炭素濃度のガスであるので、汎用のガス器具の燃料としても供給可能となる。
【００２１】
請求項４にかかる燃料電池システムは、請求項２において、前記改質装置において改質反応を惹起させる加熱源として用いられるバーナの燃料として、当該改質装置にて精製される改質ガスが用いられることを特徴とする。この構成によれば、改質バーナの燃焼によるＮＯX発生量を、都市ガス、ＬＰＧ或いは灯油等の原燃料を使用する場合と比較して低濃度にすることが可能となる。
【００２２】
請求項５にかかる燃料電池システムは、請求項請求項１〜４のいずれかにおいて、前記集中型燃料ガス供給設備による燃料ガス供給系統に、燃料電池ユニットを具備しない一般需要家を含ませてなり、前記一般需要家に対しては、該一般需要家が備える一般ガス機器に集中型燃料ガス供給設備にて精製される燃料ガスが供給される構成とされていることを特徴とする。この構成によれば、燃料電池ユニットを保有していない一般需要家が備える一般ガス機器（例えば調理用ガス器具、風呂加熱バーナ用ガス器具、暖房用ガス器具等）においても集中型燃料ガス供給設備から供給される燃料ガスが使用されるようにすることで、より一層負荷変動の安定性が担保されるようになる。
【００２３】
請求項６にかかる燃料電池システムは、請求項請求項１〜４のいずれかにおいて、前記集中型燃料ガス供給設備による燃料ガス供給系統に、供給される燃料ガスから水素ガスを精製する水素ガス精製装置と、該水素ガス精製装置にて精製された水素ガスを貯蔵する水素ガス貯蔵装置とを具備する水素ガス供給設備を接続したことを特徴とする。この構成によれば、深夜や昼間の需要家の改質ガス需要が少ない時間帯等に、集中型燃料ガス供給設備の余剰容量により改質ガスを製造し、水素ガス精製装置にて水素ガスに精製すると共に水素ガス貯蔵装置にて高圧ガスとして貯蔵しておけば、例えば水素燃料で駆動される燃料自動車に高圧水素ガスを供給する水素設備等として前記水素ガス貯蔵装置を活用することが可能となる。
【００２４】
請求項７にかかる燃料電池システムは、請求項請求項１〜６のいずれかにおいて、各々燃料ガス供給系統を有する集中型燃料ガス供給設備が複数設けられ、これら集中型燃料ガス供給設備によりそれぞれ精製される燃料ガスが、他の燃料ガス供給系統へも供給可能とするための連絡配管路が設けられていることを特徴とする。この構成によれば、例えば近接する燃料電池システムとの間において連絡配管路が設けるようにすることで、一方の集中型燃料ガス供給設備の定期点検時、改質装置の故障などの緊急時に燃料ガスを融通しあうことが可能となる。さらに、負荷が低い時間帯や季節には、一方の集中型燃料ガス供給設備によるガス精製・供給を停止することにより運転側の負荷を高くし、経済性を高くすることも可能となる。
【００２５】
本発明の請求項８にかかる燃料電池システムは、燃料電池の駆動源となる燃料ガスを精製する燃料ガス供給設備と、複数の需要家に分散配置された燃料電池ユニットと、前記需要家への電力供給系統を相互接続する共用電力系統とを具備する燃料電池システムであって、前記燃料ガス供給設備は、前記需要家にそれぞれ燃料ガスを供給可能とされた各燃料電池ユニット共通の集中型燃料ガス供給設備であり、前記各燃料電池ユニットによる発電電力が、前記共用電力系統に対して供給可能とされていることを特徴とする。
【００２６】
この構成によれば、例えば次の（１）〜（３）ような運用が可能となり、当該燃料電池システムの利便性が向上する。
（１）各需要家に分散配置された燃料電池ユニットで発電される電力を、全て一旦共用電力系統に送り、各需要家は共用電力系統から個別に使用する電力量を購入し、各需要家の燃料電池ユニットから発生される熱は全て各需要家で個別に利用できるようにする運用。
（２）各燃料電池ユニットで発電される電力から、各需要家における消費電力を除いた余剰電力を共用電力系統に送り、各需要家は共用電力系統から使用する電力量を購入する運用。
（３）各需要家の燃料電池ユニットから発生される熱は各需要家で個別利用する一方で、燃料電池ユニットで発電される電力のトータル余剰分を、共用電力系統を介して売電すると共に、不足する電力は当該ローカルエリア内の需要家で一括購入する運用。
【発明の効果】
【００２７】
請求項１にかかる燃料電池システムよれば、燃料電池ユニットを各需要家に分散して設置し、燃料ガスの供給は集中化した集中型燃料ガス供給設備より供給することにより、個々の需要家の大きい燃料ガス供給負荷変化が平準化されるため、燃料電池システムの負荷追従速度の最も大きい制約要因となっている改質装置の負荷追従速度の影響を緩和することが可能となり、集合型燃料電池システムの運用性を大幅に改善することができる。なお、集中型燃料ガス供給設備から燃料ガスを各需要家に供給するには、既存の都市ガス配管を利用可能であり、また新設する場合でも都市ガス配管と同程度の配管でよく、設備費が低減できる。
【００２８】
また、個々の需要家の燃料電池ユニット近傍まで、常時燃料ガスが供給されているために、供給弁等を開放すれば燃料電池ユニットに対して直ちに燃料供給が開始され、燃料ガスを改質するまでの起動時間が短縮されることから、例えば燃料電池ユニットが固体高分子形燃料電池からなるものであれば迅速な負荷追従や即座の起動が可能となる。この結果、固体高分子形燃料電池ユニットは頻繁な起動停止が可能となり、深夜時間帯は停止、昼間も電気や熱が不要な時は停止できるので、燃料電池システムの制約による運用制限が少なくなり、経済的な運用が可能となる。
【００２９】
請求項２にかかる燃料電池システムよれば、集中型燃料ガス供給装置として改質装置を用いることにより、都市ガス、ＬＰＧ、ナフサ、灯油、バイオガス等を原燃料として使用して、水素リッチな改質ガスを供給することが可能となる。すなわち、各需要家に設置する燃料電池ユニットは、直ちに発電可能な燃料ガスが近傍まで供給されているために、改質装置が不要となる。従って、改質装置を省ける分だけコンパクトな燃料電池ユニットとすることができ、集合住宅のベランダ等に燃料電池ユニットを設置する場合に有利になる。なお、このように改質ガスを供給することで、りん酸形燃料電池、固体電解質形燃料電池、溶融炭酸塩形燃料電池等が本システムに適用でき、また一般ガス器具等での利用も可能となる。これにより、りん酸型燃料電池では、電池スタック温度を保持しておけば数分から十分程度で起動可能となり、また溶融炭酸塩形燃料電池や固体電解質型燃料電池でも改質ガスを昇温用ガスとして使用できるため、起動停止工程の簡素化と起動時間の迅速化が図れるようになる。
【００３０】
請求項３にかかる燃料電池システムよれば、集中型燃料ガス供給設備から供給される改質ガスを、水素リッチで、かつ低一酸化炭素濃度の改質ガス組成とできるので、各需要家に分散配置する燃料電池ユニットとして、上述のりん酸型燃料電池、溶融炭酸塩形燃料電池や固体電解質型燃料電池のみならず、固体高分子形燃料電池の使用も可能となる。固体高分子形燃料電池は動作温度が低く、改質装置を持つタイプの燃料電池システムの起動時間は３０分から１時間程度を必要とするが、改質ガスが供給される本発明の方式では、起動時間は１分程度となり、電気や熱負荷に対して自由に起動停止が可能となることからガス給湯器と同等な運用すらも可能となる。このため、昼間や深夜等の負荷需要の少ない時間帯には発電ユニットを停止する運用も可能となる。さらに、一酸化炭素濃度を１０ｐｐｍ以下に低減させた改質ガスの場合、現行の労働安全衛生法、建築基準法、ビル管理法、学校衛生法に適合しており、またガス漏れによる一酸化炭素中毒の恐れはなく、安全衛生面から問題はない。また、かかる改質ガスを一般ガス器具の燃料として使用してもＮＯＸが発生せず、家庭内の環境面にも配慮できる。
【００３１】
請求項４にかかる燃料電池システムよれば、改質ガスを改質装置加熱用バーナの燃料として使用するので、バーナ燃焼により発生するＮＯＸ濃度が低減され、当該燃料電池システム（集中型燃料ガス供給設備）の対環境性を良好とすることができる。
【００３２】
請求項５にかかる燃料電池システムよれば、燃料電池が不要か、設置しても経済的なメリットがない需要家では、改質ガス、あるいは精製改質ガス（一酸化炭素濃度が低い）、あるいは水素ガスを利用して一般ガス機器を使用でき（バーナ部を改質ガス用に置換すれば問題なく利用可能となる）、需要家の希望にも対応可能となる。さらに集中型燃料ガス供給設備による燃料ガス供給系統が増加するため、一段と負荷変動の安定性が担保されるようになり、より経済的な運用が可能となる。
【００３３】
請求項６にかかる燃料電池システムよれば、深夜や昼間の需要家の改質ガス需要が少ない時間帯等に、集中型燃料ガス供給設備の余剰容量により改質ガスを製造し、これを水素ガス貯蔵装置に貯蔵しておくことで、各種目的用の水素供給設備を構築できる。例えば、水素燃料の燃料電池自動車に高圧水素ガスを供給できる水素供給設備を構築でき、これにより、各需要家はその集合住宅等で毎日夜間に燃料電池自動車の燃料補給が可能となり利便性が向上する。そして、このような運用を図ることで、深夜時間帯も高負荷で運転するために設備利用率や設備負荷率が高くなり、設備投資回収期間の短縮等、経済性を向上させることができる。
【００３４】
請求項７にかかる燃料電池システムよれば、複数の燃料電池システムとの間において、通常の改質ガスや一酸化炭素濃度の低い改質ガスおよび水素ガスを融通しあう連絡配管路を設けることにより、一方の集中型燃料ガス供給装置の故障時やメンテナンス時にも対応できシステムの安定性を向上させることができる。また低負荷時には一方の集中型燃料ガス供給装置を休止させる等することで、システムの経済性をより高くすることが可能となる。
【００３５】
請求項８にかかる燃料電池システムよれば、燃料電池ユニットで発電された電力（余剰電力）が、共用電力系統を介して流通可能とされているので、例えば各家庭で余剰となった電力を別の需要家で使用するといった運用が行え、各需要家の燃料電池ユニットは電力負荷需要の変動を受けずに熱負荷に追従させて運用することが可能となる。このため、各家庭に単独で燃料電池システムを設置する場合のように、電力の逆潮流の制約も少なくなり、経済的な運用が可能となる。
【００３６】
なお、以上の各請求項にかかる燃料電池システムよれば、集中型燃料ガス供給設備を用いるので、通常は集合住宅等であっても各需要家毎に都市ガス供給事業者等と個別契約しているものを、都市ガス供給事業者等と集中型燃料ガス供給設備管理者との一括購入契約とすることが可能となる。このため、都市ガス使用量が多くなり、個人とのガス契約と比較してガス単価が安価になり得る。また、集中型燃料ガス供給設備管理箇所でのガス使用量が年間５０万立方メートル以上（２００４年）、将来的には１０万立方メートル以上（２００７年）になるとガス自由化の範囲となり、ガス託送や新規事業者のガス事業への参入も可能となるという利点もある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３７】
以下、本発明の実施形態につき、図面に基づいて詳細に説明するが、本発明は下記の実施の形態に何ら限定されるものではなく、適宜変更して実施することが可能である。
【００３８】
（第１実施形態）
本実施形態の説明の前に、一般的な電力及びガス供給系統について概説する。図３は、通常の一戸建住宅や集合住宅に対する電力及びガスの供給形態を示すブロック図である。需要家Ａ，Ｂ，Ｅ，Ｇには固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）システム２００ａが、需要家Ｃ，Ｆには固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）システム３００ａが、需要家Ｄ，Ｈには一般ガス器具６００（燃料電池発電システムは未導入）がそれぞれ配置されている。各需要家Ａ〜Ｈに対し、ガスは商用ガス供給源１０１Ｇから、商用ガス供給系統（都市ガス配管）１０１を経て個別に供給され、また電力は、商用電力供給源１１０Ｇから、商用電力供給系統１１０を経て個別に供給されるようになっている。すなわち、各需要家Ａ〜Ｈは、例え燃料電池システム２００ａ、３００ａを導入していても、個別に商用ガス供給事業者や商用電力供給事業者会社と契約して、商用ガス供給系統１０１や商用電力系統１１０を経てガスや電力の供給を受けている。
【００３９】
図４は、本発明にかかる燃料電池システムの基本構成を示すブロック図である。ここで需要家Ａ〜Ｈは、所定のローカルエリアに存在する複数の小口需要家、例えば集合住宅の各家庭、所定の地区内の一戸建住宅、或いは小規模な業務用の需要家である。需要家Ａ，Ｂ，Ｅ，Ｇには固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）ユニット２００が、需要家Ｃ，Ｆには固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）ユニット３００がそれぞれ分散配置されている一方で、需要家Ｄ，Ｈには一般ガス器具６００（燃料電池発電ユニットは未導入）が配置されている。なお、例えば需要家Ａについて図示しているように、燃料電池ユニット２００，３００が導入されている需要家にも、一般ガス器具６０１が設置されている。
【００４０】
そして、電力については図３に示した通常の供給形態と同様に、商用電力供給源１１０Ｇから商用電力供給系統１１０を経て各需要家Ａ〜Ｈへ個別に供給される形態であるが、ガスについては集中型燃料ガス供給装置１０及びアキュムレータ１２０を経由して各需要家Ａ〜Ｈへ個別に供給される形態とされている。すなわち、商用ガス供給源１０１Ｇから、商用ガス供給系統１０１を経て都市ガス等の原料ガスが集中型燃料ガス供給装置１０に供給され、該集中型燃料ガス供給装置１０にて改質ガスが精製され、この改質ガスがアキュムレータ１２０を経由して各需要家Ａ〜Ｈに供給される。なお、集中型燃料ガス供給装置１０で用いられる燃料としては、都市ガスの他、灯油、軽油、ナフサ等の石油系液体燃料やバイオガスを使用しても良い。さらに、それらの改質ガスとともに太陽光や深夜電力を利用して水電解により製造した水素ガスを混合して供給することもできる。
【００４１】
アキュムレータ１２０は、一定量の改質ガスを貯蔵しておき、急激な改質ガス需要変動が生じた場合でも改質ガス圧力を一定に維持させるために設置されるものである。改質ガスは、アキュムレータ１２０に接続されているローカル配管路１０３（既存の都市ガス配管路等であっても良い）を介して、各需要家Ａ〜Ｈに備えられているＰＥＦＣユニット２００、ＳＯＦＣユニット３００及び一般ガス器具６００、６０１に供給される。なお、各需要家Ａ〜Ｈで使用される電力については、燃料電池システムによる発電にて賄われるが、不足分については商用系統１１０から需要家毎に購入する構成とされている。
【００４２】
図５は、上記ＰＥＦＣユニット２００の構成例を示すブロック図である。このＰＥＦＣユニット２００は、ＰＥＦＣ電池スタック２１０、放熱器２２０、熱交換器２３０、貯湯槽２４０、送気装置２５０及びインバータ２６０などで構成されている。ＰＥＦＣ電池スタック２１０は、燃料極２１１、空気極２１２、電解質２１３及び冷却板２１４から構成されている。前記燃料極２１１には、集中型燃料ガス供給装置１０からアキュムレータ１２０及びローカル配管路１０３を介して供給され、一酸化炭素除去器２０１で一酸化炭素濃度を１０〜１００ｐｐｍ以下にして（必要に応じて加湿器等をさらに介して）、水素リッチな改質ガスが導入される。
【００４３】
その後、導入された改質ガス中の水素成分は、その大部分が燃料極２１１でイオン化され、該水素イオンは電解質２１３を通って空気極２１２へ移動される。該空気極２１２には、ブロワー２５１及び駆動モータ２５２からなる送気装置２５０から空気が導入されており、該空気中の酸素が取り込まれてイオン化される。そして、この酸素イオンと、燃料極２１１から移動されてくる水素イオンとが化学反応し、水が生成されると共に発電が為される。かかる化学反応により発生される電力は直流であることから、インバータ２６０にて直流−交流変換した上で、需要家内に存在する各種電力機器に対してその駆動電源として供給される。
【００４４】
ＰＥＦＣ電池スタック２１０内においては、上述の通り水素と酸素とが化学反応することから発熱が生じる。従って、ＰＥＦＣ電池スタック２１０が過加熱状態とならないよう冷却する必要があるが、この冷却の際の熱を回収して温水等を生成して熱の有効活用が図られる。図５に示す例では、ＰＥＦＣ電池スタック２１０の冷却板２１４を経由する冷却水の循環路２２２と放熱器２２０とを設け、ポンプ２２１で循環路２２２内に冷却水を循環させることで、電池スタックを一定温度に保つ（冷却する）構成とされている。
【００４５】
一方、上記循環路２２２は、熱交換器２３０も経由する配管経路とされており、熱交換器２３０に水道配管路２３１を介して導入される水道水に、冷却板２１４で吸熱した熱の一部（余剰熱）を授受するようになっている。このような熱交換動作により、熱交換器２３０内では６０℃程度の温水が生成される。かかる温水は出力配管路２３２を経て貯湯槽２４０へ送られて貯湯され、必要に応じて、台所や洗面所、風呂用（熱需要機器）に使用されるものである。
【００４６】
図６は、上記ＳＯＦＣユニット３００の構成例を示すブロック図である。このＳＯＦＣユニット３００は、ＳＯＦＣ電池スタック３１０、高温水熱交換器３２０、低温水熱交換器３３０、燃焼室３４０、送気装置３５０及びインバータ３６０などで構成されている。ＳＯＦＣ電池スタック３１０は、燃料極３１１、空気極３１２及び電解質３１３から構成されている。前記燃料極３１１には、集中型燃料ガス供給装置１０からアキュムレータ１２０及びローカル配管路１０３を介して、水素リッチな改質ガスが導入される。
【００４７】
その後、導入された改質ガス中の水素成分（及び一酸化炭素成分）は、その大部分が燃料極３１１において、空気極３１２から送られてくる酸素イオンと反応して電気を発生する。空気極３１２には、ブロワー３５１及び駆動モータ３５２からなる送気装置３５０から空気が導入されており、該空気中の酸素が取り込まれてイオン化される。かかる酸素イオンは、電解質３１３を通して燃料極３１１へ移動し、前述の通り水素成分（及び一酸化炭素成分）と化学反応し電気を発生する。同様に発生される電力は直流であることから、インバータ３６０にて直流−交流変換した上で、需要家内に存在する各種電力機器に対してその駆動電源として供給される。
【００４８】
一般に、燃料極３１１での水素利用率は７０〜８０％で、残りは余剰として排出される（燃料極排ガス）。また、空気極３１２での空気中の酸素利用率は５０〜６０％で、残りは余剰として排出される（空気極排空気）。このような余剰エネルギーを活用すべく、前記燃料極排ガスと空気極排空気とは、ＳＯＦＣ電池スタック３１０の出口側に配置された燃焼室３４０に導入されて燃焼される。この燃焼により生じた熱は、ＳＯＦＣ電池スタック３１０の保温に利用される他、熱交換器により熱回収される。
【００４９】
すなわち、燃焼室３４０には排ガス回収管３４１が接続されており、この前記排ガス回収管３４１は、高温水熱交換器３２０及び低温水熱交換器３３０を経由する構成とされている。燃焼室３４０での燃焼反応により生じた高温燃焼排ガスは、前記排ガス回収管３４１を通して高温水熱交換器３２０及び低温水熱交換器３３０へ順次導かれ、高温水熱交換器３２０及び低温水熱交換器３３０へ水道配管路３３２を介して導入されている水道水に熱を授受するようになっている。このような熱授受動作により、高温水熱交換器３２０では約９０℃程度の高温水が生成され、低温水熱交換器３３０では６０℃程度の低温水が生成される。かかる高温水及び低温水は、それぞれ出力配管路３２１，３３１を経て、需要家内の熱需要機器に使用されるものである。
【００５０】
図７は、集中型燃料ガス供給装置１０の内部構成の一例を示すブロック図である。この集中型燃料ガス供給装置１０は、イオウ除去機能を有する脱硫器１１と、水蒸気を生成して原燃料に水蒸気を添加する水蒸気供給器１２と、改質反応を行わせる改質器（改質装置）１３と、水素と二酸化炭素を生成するシフト反応を行わせる一酸化炭素変成器１４と、前記改質器１３を加温する改質器バーナ１５とを備えている。
【００５１】
このような集中型燃料ガス供給装置１０の動作を説明する。商用ガス供給源１０１Ｇから供給される都市ガス等の原燃料（本実施形態ではＣＨ4を用いている）は、先ず脱硫器１１へ導入され、原燃料中に含まれている腐臭材のイオウ成分が除去される。この脱硫後のガスに水蒸気供給器１２から水蒸気が加えられ、改質器１３へ導入される。改質器１３は、改質器バーナ１５により７５０〜８００℃程度の動作温度に加熱されており、導入されたＣＨ4と水とが改質器１３内でＮｉ系触媒を用いて改質され、水素と一酸化炭素とに分離される。その後、分離ガスは、３５０〜２００℃に温度維持された一酸化炭素変成器１４へ導入され、Ｆｅ系触媒又はＣｕ系触媒を用いて、前記一酸化炭素が水素と二酸化炭素とに変換される。これにより、燃料ガス（改質ガス）中の一酸化炭素濃度は数％程度に低減される。
【００５２】
このようにして、集中型燃料ガス供給装置１０において都市ガスを精製して得られた改質ガスは、アキュムレータ１２０を介して各需要家Ａ〜Ｈへ適宜送られる。なお本実施形態では、一酸化炭素変成器１４の出口側配管路に分流器１４１を設け、当該集中型燃料ガス供給装置１０において精製された改質ガスの一部が、前記改質器バーナ１５に供給されるよう構成している。これにより、改質器バーナ１５の燃焼によるＮＯＸ発生量を、都市ガス、ＬＰＧ或いは灯油等の原燃料を使用する場合と比較して低濃度（１０ｐｐｍ程度）にすることが可能となり、環境面での改善が達成できるとともに、残渣ガスの有効利用が図れるという利点がある。
【００５３】
図４に戻って、以上説明した本実施形態にかかる燃料電池システムの動作を説明する。このシステムでは、所定のローカルエリア内に存在する小口の需要家Ａ〜Ｈ向けに、集中型燃料ガス供給装置１０により一括して原燃料（都市ガス）から燃料ガス（改質ガス）が精製され、アキュムレータ１２０を介して各需要家Ａ〜Ｈへ分配される。そして各需要家Ａ〜Ｈにおいては、適宜供給弁等を開閉することで前記改質ガスの供給を受け、各需要家Ａ〜Ｈが備える燃料電池ユニット等を動作させる。
【００５４】
すなわち、需要家Ａ，Ｂ，Ｅ，ＧにおいてはＰＥＦＣユニット２００の運転時に、供給弁等が「開」状態とされて燃料極２１１に前記改質ガスが導入され、運転が実行される。なお、ＰＥＦＣ形式の燃料電池においては、改質ガス中の一酸化炭素濃度を低濃度（１０〜１００ｐｐｍ程度以下）にした上で供給する必要があることから、各ＰＥＦＣユニット２００の上流側には一酸化炭素濃度を低下させる一酸化炭素選択酸化器等の一酸化炭素除去器２０１が設けられる。また、需要家Ｃ，ＦにおいてもＳＯＦＣユニット３００の運転時に、供給弁等が「開」状態とされて燃料極３１１に前記改質ガスが導入され、運転が実行される。ＳＯＦＣ形式の燃料電池においては、一酸化炭素も燃料として利用できるために、一酸化炭素成分を低減させずとも良いことから、当該改質ガスがそのまま導入される。一方、燃料電池ユニットが導入されていない需要家Ｄ，Ｈにおいては、一般ガス器具６００に前記改質ガスが供給可能とされており、該一般ガス器具６００の使用時に改質ガスが利用されることになる。
【００５５】
ＰＥＦＣユニット２００又はＳＯＦＣユニット３００が配置されている需要家にあっては、各ＰＥＦＣユニット２００又はＳＯＦＣユニット３００の運転により発生される電力が、各需要家内の電気機器の動作電源として個別に活用される。なお、不足する電力は、商用電力供給源１１０Ｇから個別に購入される。また、ＰＥＦＣユニット２００又はＳＯＦＣユニット３００の運転により発生される排熱は、図５又は図６に示したように、水道水と熱交換して温水として各需要家内で個別に活用されるものである。
【００５６】
以上説明した本実施形態にかかる燃料電池システムによれば、複数の小口需要家に分散設置された（小型）燃料電池ユニット（ＰＥＦＣユニット２００又はＳＯＦＣユニット３００）や一般ガス器具６００への燃料供給を、各需要家共通の集中型燃料ガス供給装置１０で行わせる一方で、各需要家個々の電力負荷や熱負荷に対しては各需要家に設置されたＰＥＦＣユニット２００又はＳＯＦＣユニット３００で個別に対応する構成である。従って、各燃料電池ユニットには改質装置部が不要となり、装置構成の簡素化、小型化が図れるようになる。また、改質ガスが常時供給可能な状態とされているので、起動時間が短縮され、燃料電池ユニットの効率的な運用が行える。さらに熱負荷に対しては、各々の需要家が備えるＰＥＦＣユニット２００又はＳＯＦＣユニット３００の排熱を用いて個別に対応するので、熱輸送による熱損失を最小限に抑制することができる。
【００５７】
なお、図８に示すように、上述の燃料電池システムを複数設け、これらシステム間で燃料ガスの連携を取るようにしても良い。すなわち、第１のローカルエリアにおける各需要家に対して燃料ガス供給系統を有する集中型燃料ガス供給装置１０が設置された第１の燃料電池システムＳ１と、これに近接する第２のローカルエリアにおいて、同様に各需要家に対して燃料ガス供給系統を有する集中型燃料ガス供給装置１０が設置された第２の燃料電池システムＳ２とが存在する場合において、各燃料電池システムの集中型燃料ガス供給装置１０によりそれぞれ精製される燃料ガスを、他の燃料ガス供給系統へも供給可能とするための連絡配管路１０４を設けるようにしても良い。
【００５８】
具体的には、第１の燃料電池システムＳ１が具備するローカル配管路１０３、及び第２の燃料電池システムＳ２が具備するローカル配管路１０３にそれぞれ分流部が設けられ、その間が連絡配管路１０４で連結されている。連絡配管路１０４の中間部には制御弁１０５が設けられており、必要に応じて燃料ガス（改質ガス）がそれぞれの燃料ガス供給系統に相互供給できる構成とされている。
【００５９】
このような構成とすれば、例えば一方の集中型燃料ガス供給装置１０の定期点検や、改質装置の故障などの緊急時において、第１の燃料電池システムＳ１と第２の燃料電池システムＳ２との間で燃料ガスを融通しあうことが可能となる。さらに、負荷が低い時間帯や季節には、一方の集中型燃料ガス供給設備によるガス精製・供給を停止することにより運転側の負荷を高くし、経済性を高くすることも可能となる。
【００６０】
（第２実施形態）
図９は、本発明の第２実施形態にかかる燃料電池システムの構成を示すブロック図である。先に説明した図４に示す第１実施形態と相違する点は、集中型燃料ガス供給装置１０Ａに集中型一酸化炭素除去器としての集中型一酸化炭素選択酸化器１６を具備させた点と、当該集中型燃料ガス供給装置１０Ａによる燃料ガス供給系統に水素ガス精製装置１３１並びに水素ガス貯蔵装置１３２を設けた点である。以下、これら相違点につき主に説明する。
【００６１】
前述した通り、ＰＥＦＣ形式の燃料電池においては、ガス中の一酸化炭素濃度を低濃度（１０〜１００ｐｐｍ程度以下）にした上で改質ガスを供給する必要がある。従って、図４に示す第１実施形態の場合、ＰＥＦＣユニット２００を設置している需要家Ａ，Ｂ，Ｅ，Ｇは、各々一酸化炭素濃度の低減装置を個別に取り付ける必要が生じる。そこで、本実施形態では、集中型燃料ガス供給装置１０Ａとして、集中型燃料ガス改質装置１０Ｂと、改質ガスの一酸化炭素濃度を下げる集中型一酸化炭素選択酸化器１６とを具備させるようにしている。
【００６２】
図１０は、このような集中型燃料ガス供給装置１０Ａの構成を示すブロック図である。集中型燃料ガス改質装置１０Ｂは、図７に示した集中型燃料ガス供給装置１０と同様な構成を備えており、イオウ除去機能を有する脱硫器１１と、水蒸気を生成して原燃料に水蒸気を添加する水蒸気供給器１２と、改質反応を行わせる改質器（改質装置）１３と、水素と二酸化炭素を生成するシフト反応を行わせる一酸化炭素変成器１４と、前記改質器１３を加温する改質器バーナ１５とを具備している。
【００６３】
そして、一酸化炭素変成器１４の下流側には、集中型一酸化炭素選択酸化器１６が接続され、集中型燃料ガス改質装置１０Ｂで精製された改質ガス中に含まれる一酸化炭素濃度を低減化した上で、アキュムレータ１２０に改質ガスを供給する構成となっている。
【００６４】
すなわち、集中型燃料ガス改質装置１０Ｂにおいて精製される改質ガス中には、約１％レベルの一酸化炭素が含まれている。このような改質ガスが、１００℃程度に加温された集中型一酸化炭素選択酸化器１６に導入され、Ｐｔ系触媒が用いられて、前記一酸化炭素成分が二酸化炭素に変換される。このような変換動作により、集中型一酸化炭素選択酸化器１６から出力される改質ガスの一酸化炭素濃度は、１０〜１００ｐｐｍ程度以下に低減されるようになる。なお、上記集中型一酸化炭素選択酸化器１６に代えて、例えば集中型一酸化炭素吸着器等を用いることも可能であり、この他、一酸化炭素濃度を低減させる機能を備える各種の集中型一酸化炭素除去器を適用することができる。
【００６５】
このような低一酸化炭素濃度の改質ガスを、集中型燃料ガス供給装置１０Ａから各需要家Ａ〜Ｈに供給することで、ＰＥＦＣユニット２００を設置している需要家Ａ，Ｂ，Ｅ，Ｇにおいても、当該改質ガスをそのままＰＥＦＣユニット２００に導入して使用することが可能となり、ＰＥＦＣユニット２００の簡素化、小型化を図ることができる。また、低一酸化炭素濃度の改質ガスの供給が必要となるりん酸型燃料電池（ＰＡＦＣ）、溶融炭酸塩型燃料電池（ＭＣＦＣ）なども、本燃料電池システムに適用可能となる。なお、一般ガス器具６００については、バーナ構造を当該改質ガス燃焼に適したものに改造して使用される。さらに、一酸化炭素濃度が１０ｐｐｍ以下であれば、現行の労働安全衛生法、建築基準法、ビル管理法、学校衛生法にも適合し、使用可能である。もし、ガスリークが発生した場合も一酸化炭素中毒を生ずる可能性はなく、安全面でも好ましいガス供給システムとすることができる。
【００６６】
このような構成に加え、本実施形態では集中型燃料ガス供給装置１０Ａによる燃料ガス供給系統に水素ガス精製装置１３１並びに水素ガス貯蔵装置１３２が備えられている。水素ガス精製装置１３１は、ＰＳＡ方式（圧力の切り換えによって吸着と脱着を繰り返すガス精製方式）、膜分離方式、あるいは化学吸収方式等により、集中型燃料ガス供給装置１０Ａから供給されてくる改質ガスから水素成分を抽出する装置である。また水素ガス貯蔵装置１３２は、前記水素ガス精製装置１３１にて抽出された水素を貯蔵すると共に、供給弁等を備え、適宜貯蔵されている水素を外部に供給可能とする装置である。
【００６７】
このような水素ガス精製装置１３１と水素ガス貯蔵装置１３２とからなる水素ガス設備を設けておけば、深夜や昼間の需要家の改質ガス需要が少ない時間帯等に、集中型燃料ガス供給装置１０Ａの余剰容量により改質ガスを製造し、前記水素ガス精製装置１３１にて水素ガスを精製すると共に水素ガス貯蔵装置１３２にて高圧ガスとして貯蔵しておくことが可能となる。これにより、例えば水素燃料で駆動される燃料電池自動車Ｃに高圧水素ガスを供給する水素設備として、前記水素ガス貯蔵装置１３２を活用することが可能となり、各需要家はその集合住宅等で毎日夜間に燃料電池自動車の燃料補給が可能となって利便性が向上する。そして、このような運用を図ることで、深夜時間帯等においても集中型燃料ガス改質装置１０Ｂは高負荷で運転されるため設備利用率や設備負荷率が高くなり、経済的なメリットを大きくすることができる。
【００６８】
（第３実施形態）
図１１は、本発明の第３実施形態にかかる燃料電池システムの構成を示すブロック図である。先に説明した図４に示す第１実施形態と相違する点は、商用電力供給源１１０Ｇから所定のローカルエリア内に存在する各需要家Ａ〜Ｈへの受電系統を一元化すると共に、各需要家Ａ〜Ｈへの電力供給系統を相互接続する共用電力系統１１１を設けた点と、ガスメータ並びに電力メータを適所に配置した点である。以下、これら相違点につき主に説明する。
【００６９】
集中型燃料ガス供給装置１０は、所定のローカルエリア内に存在する各需要家Ａ〜Ｈ共通のガス供給設備であることから、集中型燃料ガス供給装置１０の管理組合等を設立し、商用ガスを供給する都市ガス供給事業者等と大口ガス購入契約を締結することがコスト面で有利となる。この点に鑑みて、集中型燃料ガス供給装置１０の上流側に共用ガスメータ６１が設置され、ローカルエリア内に存在する各需要家Ａ〜Ｈにおいて使用されるガス量が包括的に計測されるようになっている。
【００７０】
そしてローカル配管路１０３において、各需要家Ａ〜Ｈに対し、それぞれ個別ガスメータ６２Ａ〜６２Ｅが取り付けられている。すなわち、各需要家Ａ〜Ｈの燃料電池ユニット２００、３００や一般ガス器具６００で使用されたガス量は、各個別ガスメータ６２Ａ〜６２Ｅにて計測されることになる。これにより、集中型燃料ガス供給装置１０の管理組合等から、各需要家Ａ〜Ｈにおいて使用された燃料ガス量に応じて、ガス料金が徴収可能とされている。
【００７１】
また、電力についても、商用電力を供給する電力供給事業者等と大口電力購入契約を締結するものとし、共用電力メータ６４を設置し、該共用電力メータ６４から共用電力系統１１１を介して各需要家Ａ〜Ｈに対して電力を供給する構成とされている。そして共用電力系統１１１において、各需要家Ａ〜Ｈに対し、それぞれ個別電力メータ６３Ａ〜６３Ｅが取り付けられている。すなわち、各需要家Ａ〜Ｈの電気機器で使用された電力量は、ガスと同様に各個別電力メータ６３Ａ〜６３Ｅにて計測されることになる。なお、共用電力系統１１１には電力制御装置１１５が介在されており、商用電力供給源１１０Ｇからの受電制御や、各需要家Ａ〜Ｈに対する配電制御等が行えるようになっている。
【００７２】
さらに、上記共用電力系統１１１に対して、各需要家が備える燃料電池ユニットの発電電力が供給可能とされている。すなわち、需要家Ａ，Ｂ，Ｅ，Ｇに設置されているＰＥＦＣユニット２００による発電出力、及び需要家Ｃ，Ｆに設置されているＳＯＦＣユニット３００の発電出力が共用電力系統１１１と接続されている。
【００７３】
現状では、自家発電電力の売電は、太陽光発電や風力発電等を除き、許容されていない。従って、各需要家が備える燃料電池ユニットで発電された電力は、商用電力供給系統１１０に逆潮流できない。それゆえ、燃料電池ユニットの制御部（図示せず）において、その需要家の電力及び熱負荷需要を予測して余剰電力が発生しないように発電出力を指令して運転する必要があり、場合によっては熱需要に十分対応できない場合もあった。しかし、本実施形態のように共用電力系統１１１に対して、各需要家が備える燃料電池ユニットの発電電力を供給可能とすることで、例えば余剰電力を共用電力系統１１１に送り出し、この余剰電力を他の需要家が使用するといった運用が可能となる。これにより、熱需要に応じて燃料電池ユニットを運転し、余剰電力が生じた場合は共用電力系統１１１に流せば良く、燃料電池ユニットの利便性が一段と向上する。
【００７４】
続いて、本実施形態にかかる燃料電池システムの具体的な運用態様について説明する。
（１）需要家Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｅ，Ｆ，Ｇに分散配置された燃料電池ユニット２００，３００で発電される電力を、全て一旦共用電力系統１１１に送り、各需要家Ａ〜Ｈは共用電力系統１１１から個別に使用する電力量を購入し、燃料電池ユニット２００，３００から発生される熱は全て需要家Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｅ，Ｆ，Ｇで個別に利用する。この場合、ローカルエリア内に存在する各需要家Ａ〜Ｈは、需要家Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｅ，Ｆ，Ｇが保有している燃料電池ユニット２００，３００にて発電される電力を共用電力系統１１１から受電すると共に、不足分を一括契約されている商用電力供給系統１１０から受電することとなる。そして、後者の受電電力量は共用電力メータ６４にて計測され、また前者と後者を含めた個別受電電力量は、個別電力メータ６３Ａ〜６３Ｅにて計測される。なお、燃料電池ユニット２００，３００を保有している需要家Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｅ，Ｆ，Ｇについては、送電電力メータも取り付け、共用電力系統１１１に供給した電力量を計測して相殺させる運用とすることが望ましい。
【００７５】
このような運用において、電力制御装置１１５は、各需要家Ａ〜Ｈに対する供給電力が不足しないよう、燃料電池ユニットによる発電パターンと電力消費パターンの類型をあらかじめ記憶させておく、若しくは予測する等して、商用電力供給系統１１０から受電量を制御する動作を行うことになる。
【００７６】
（２）各燃料電池ユニット２００，３００で発電される電力から、需要家Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｅ，Ｆ，Ｇにおける消費電力を除いた余剰電力のみを共用電力系統１１１に送り、各需要家は共用電力系統１１１から使用する電力量を購入する。この運用態様は、実質的に上記運用態様（１）に準じたものである。
【００７７】
（３）各燃料電池ユニット２００，３００から発生される熱は、需要家Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｅ，Ｆ，Ｇで個別利用する一方で、燃料電池ユニット２００，３００で発電される電力のトータル余剰分を、共用電力系統１１１を介して売電すると共に、不足する電力は当該ローカルエリア内の需要家Ａ〜Ｈで一括購入する。これは、売電が可能であることを前提とした運用であり、この場合電力制御装置１１５は、前記売電と受電との判定動作も行うことになる。
【００７８】
図１２は、上述した第３実施形態にかかる燃料電池システムの変形例にかかる構成を示すブロック図である。先に説明した図１１に示すシステムと相違する点は、商用電力供給系統１１０から各需要家Ａ〜Ｈが個別に電力を購入する（図１２では、図示簡略化のため需要家Ａ、Ｆについてのみ系統ラインを表示している）ルートと、前述の共用電力系統１１１から各燃料電池ユニット２００，３００で発電される電力を受電するルートとの２つの受電ルートを設けた点である。
【００７９】
共用電力系統１１１には、需要家Ａ，Ｂ，Ｅ，Ｇに設置されているＰＥＦＣユニット２００による発電出力、及び需要家Ｃ，Ｆに設置されているＳＯＦＣユニット３００の発電出力が共用電力系統１１１と接続されており、その発電電力が共用電力系統１１１に供給可能とされている。この共用電力系統１１１の運用態様は、上述の運用態様（１）又は（２）に依ることができる。なお、共用電力系統１１１には電力制御装置１１６が介在されており、配電動作が制御されるようになっている。この共用電力系統１１１において各需要家Ａ〜Ｈにて使用される電力量は、個別電力メータ６３Ａ〜６３Ｅにて計測される。
【００８０】
一方、商用電力供給系統１１０から需要家毎に個別に購入される電力は、一般電力メータ６５Ａ、６５Ｆで計測されることとなる。この燃料電池システムによれば、各需要家における電力消費パターンの予測等が不要となり、常に安定した電力供給源を確保しつつ、商用電力系統に逆潮流することなく、燃料電池ユニット２００，３００の余剰電力を有効に活用できるという利点がある。
【００８１】
以上説明したような本発明にかかる燃料電池システムによれば、所定のローカルエリア内に存在する需要家が保有している燃料電池ユニットに対して、一括的に原燃料（都市ガス）を購入し集中型燃料ガス供給装置１０を用いて改質ガスを精製して供給することから、ガス購入単価を安価することが可能となる。すなわち、現在、都市ガスの家庭用料金体系の契約での従量料金は１２１〜１２４円／Ｎｍ3である。一方、業務用の都市ガス料金はガス使用量が多いとより安価になる。例えば、業務用では料金表Ａ（０〜２５Ｎｍ3／月）の従量ガス単位料金は１３４円／Ｎｍ3、料金表Ｂ（２５〜５００Ｎｍ3／月）の従量ガス単位料金は１１２円／Ｎｍ3、料金表Ｃ（５００〜Ｎｍ3／月）の従量ガス単位料金は１０２円／Ｎｍ3と、使用量の増加に伴い安価になる。
【００８２】
例えば、美容院や小売店等の小規模業務用の場合、各需要家に１ｋＷ級のＰＥＦＣ型燃料電池ユニットを１台設置した場合、その月あたりのガス使用量は、設備利用率を６０％と仮定すると、
０．３３Ｎｍ3／ｈ×２４ｈ×３０日×０．６＝２０２Ｎｍ3／月
となる。このため、上記料金表Ｂとなるが、このような需要家が５件以上集中化し、この需要家群に集中型燃料ガス供給装置１０にて燃料ガス（改質ガスや水素）を一括して供給するようにすると、該集中型燃料ガス供給装置１０の管理者と都市ガス会社との契約は料金表Ｃとなり、ガス単価が安価になり得る。従って、燃料電池ユニットを運転するための原料コストも大幅に低減でき、燃料電池ユニット導入のメリットが一層向上する。
【００８３】
以上、本発明の実施形態に付き説明したが、上記で例示した構成に様々な改変を加えて実施することが可能である。例えば、上記実施形態では、燃料電池ユニットとしてＰＥＦＣユニット２００とＳＯＦＣユニット３００とのいずれかが採用されている例を示したが、これ以外の燃料電池ユニット、例えばりん酸型燃料電池（ＰＡＦＣ）ユニットや、溶融炭酸塩型燃料電池（ＭＣＦＣ）ユニットなども含めて、需要家に分散配置される態様であっても良い。
【図面の簡単な説明】
【００８４】
【図１】一般的な燃料電池システムの構成を概略的に示すブロック図である。
【図２】本発明にかかる燃料電池システムの構成を概略的に示すブロック図である。
【図３】通常の一戸建住宅や集合住宅に対する電力及びガスの供給形態を示すブロック図である。
【図４】本発明の第１実施形態にかかる燃料電池システムの構成を示すブロック図である。
【図５】固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）ユニットの構成例を示すブロック図である。
【図６】固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）ユニットの構成例を示すブロック図である。
【図７】集中型燃料ガス供給装置の内部構成の一例を示すブロック図である。
【図８】燃料電池システムを複数設け、これらシステム間で燃料ガスの連携を取るようにした構成を示すブロック図である。
【図９】本発明の第２実施形態にかかる燃料電池システムの構成を示すブロック図である。
【図１０】集中型燃料ガス供給装置の内部構成の一例を示すブロック図である。
【図１１】本発明の第３実施形態にかかる燃料電池システムの構成を示すブロック図である。
【図１２】本発明の第３実施形態にかかる燃料電池システムの変形構成を示すブロック図である。
【図１３】従来の一般家庭や業務設備に対する電力や熱（温水等）の供給方式を示すブロック図である。
【図１４】燃料電池システムの一般家庭における利用形態を示す模式図である。
【図１５】各燃料電池の特徴を示す表形式の図である。
【図１６】電力負荷の変動状態を示すグラフ図であって、（ａ）は一戸建住宅の負荷変動状態を、（ｂ）は集合住宅における負荷変動状態をそれぞれ示している。
【符号の説明】
【００８５】
１０（１０Ａ）  集中型燃料ガス供給装置（集中型燃料ガス供給設備）
１０１  商用ガス供給系統
１０３  ローカル配管路
１０４  連絡配管路
１１０  商用電力供給系統
１１１  共用電力系統
１２０  アキュムレータ
１３    改質器（改質装置）
１３１  水素ガス精製装置
１３２  水素ガス貯蔵装置
１４    一酸化炭素変成器
１５    改質器バーナ
１６    一酸化炭素選択酸化器
２００  ＰＥＦＣユニット（燃料電池ユニット）
２０１  一酸化炭素除去器
３００  ＳＯＦＣユニット（燃料電池ユニット）
６００  一般ガス器具
Ａ〜Ｈ  需要家
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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