(57)【要約】【課題】水素、電力、および、熱を出力することができる固体酸化物形燃料電池を効率よく運転する。【解決手段】燃料電池システム１００は、炭化水素、水（水蒸気）、および、酸素を原料として、水素、電力、および、熱を出力する固体酸化物形燃料電池１１０と、固体酸化物形燃料電池１１０から出力された水素を貯蔵する水素貯蔵部１３０と、を備える。水素貯蔵部１３０は、例えば、冷却されることで水素を吸蔵し、加熱されることで水素を放出する水素吸蔵合金を含んで構成されてもよい。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素、電力、および、熱を出力する固体酸化物形燃料電池と、
前記固体酸化物形燃料電池から出力された水素を貯蔵する水素貯蔵部と、
を備えたことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記固体酸化物形燃料電池を制御して、水素の出力量、電力の出力量、および、熱の出力量を制御する電池制御部と、
前記水素貯蔵部への水素の貯蔵、および、該水素貯蔵部からの水素の排出を制御する貯蔵制御部と、
前記水素貯蔵部から排出された水素を原料として発電する水素発電部と、
を備え、
前記電池制御部は、電力の需要が所定の第１閾値未満である場合に、前記水素の出力量を増加させるとともに、前記電力の出力量および前記熱の出力量を低下させ、該電力の需要が該第１閾値以上の第２閾値以上である場合に、該水素の出力量を低下させるとともに、該電力の出力量および該熱の出力量を増加させ、
前記貯蔵制御部は、前記電力の需要が前記第１閾値未満である場合に前記水素貯蔵部に水素を貯蔵させ、該電力の需要が前記第２閾値以上である場合に該水素貯蔵部から水素を排出させることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記水素貯蔵部は、水素吸蔵合金を含んで構成されることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記固体酸化物形燃料電池を制御して、水素の出力量、電力の出力量、および、熱の出力量を制御する電池制御部と、
前記水素吸蔵合金を冷却して該水素吸蔵合金に水素を吸蔵させるとともに、該水素吸蔵合金を加熱して該水素吸蔵合金から水素を放出させる貯蔵制御部と、
前記水素吸蔵合金から放出された水素を原料として発電する水素発電部と、
を備え、
前記電池制御部は、電力の需要が所定の第１閾値未満である場合に、前記水素の出力量を増加させるとともに、前記電力の出力量および前記熱の出力量を低下させ、該電力の需要が該第１閾値以上の第２閾値以上である場合に、該水素の出力量を低下させるとともに、該電力の出力量および該熱の出力量を増加させ、
前記貯蔵制御部は、前記電力の需要が前記第１閾値未満である場合に前記水素吸蔵合金を冷却して水素を吸蔵させ、該電力の需要が前記第２閾値以上である場合に前記固体酸化物形燃料電池から出力された熱で該水素吸蔵合金を加熱して、該水素吸蔵合金から水素を放出させることを特徴とする請求項３に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記固体酸化物形燃料電池は、前記電力の需要が前記第１閾値未満である場合に、前記水素吸蔵合金が水素を吸蔵することによって生じる熱を利用して前記水素を出力することを特徴とする請求項４に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
水を電気分解することで、水素を出力する固体酸化物形電解セルを備え、
前記水素貯蔵部は、前記固体酸化物形電解セルから出力された水素を貯蔵することを特徴とする請求項１から５のいずれか１項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、固体酸化物形燃料電池を備えた燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、燃料を酸化する燃料極（アノード）と、酸素を還元する空気極（カソード）と、燃料極と空気極の間に配される電解質とを備え、燃料と酸素との電気化学的反応によって発電する燃料電池が開発されている。燃料電池は、電解質の特性に応じて、固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）、リン酸形燃料電池（ＰＡＦＣ）、溶融炭酸塩形燃料電池（ＭＣＦＣ）、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）の４種類に大別される。
【０００３】
上記燃料電池のうち、固体酸化物形燃料電池は、他の燃料電池と比較して発電効率が大きく、また、電力および熱を出力することができる（コジェネレーション）ことから、広く普及し始めている（例えば、特許文献１、２）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第４００８３０５号公報
【特許文献２】特許第５７１１６８７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、近年、電力および熱のみならず、水素を出力することができる新型の固体酸化物形燃料電池が開発されており、このような新型の固体酸化物形燃料電池を効率よく運転する技術の開発が希求されている。
【０００６】
本発明は、水素、電力、および、熱を出力することができる固体酸化物形燃料電池を効率よく運転することが可能な燃料電池システムを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために、本発明の燃料電池システムは、水素、電力、および、熱を出力する固体酸化物形燃料電池と、前記固体酸化物形燃料電池から出力された水素を貯蔵する水素貯蔵部と、を備えたことを特徴とする。
【０００８】
また、前記固体酸化物形燃料電池を制御して、水素の出力量、電力の出力量、および、熱の出力量を制御する電池制御部と、前記水素貯蔵部への水素の貯蔵、および、該水素貯蔵部からの水素の排出を制御する貯蔵制御部と、前記水素貯蔵部から排出された水素を原料として発電する水素発電部と、を備え、前記電池制御部は、電力の需要が所定の第１閾値未満である場合に、前記水素の出力量を増加させるとともに、前記電力の出力量および前記熱の出力量を低下させ、該電力の需要が該第１閾値以上の第２閾値以上である場合に、前記水素の出力量を低下させるとともに、前記電力の出力量および前記熱の出力量を増加させ、前記貯蔵制御部は、前記電力の需要が前記第１閾値未満である場合に前記水素貯蔵部に水素を貯蔵させ、該電力の需要が前記第２閾値以上である場合に該水素貯蔵部から水素を排出させるとしてもよい。
【０００９】
また、前記水素貯蔵部は、水素吸蔵合金を含んで構成されるとしてもよい。
【００１０】
また、前記固体酸化物形燃料電池を制御して、水素の出力量、電力の出力量、および、熱の出力量を制御する電池制御部と、前記水素吸蔵合金を冷却して該水素吸蔵合金に水素を吸蔵させるとともに、該水素吸蔵合金を加熱して該水素吸蔵合金から水素を放出させる貯蔵制御部と、前記水素吸蔵合金から放出された水素を原料として発電する水素発電部と、を備え、前記電池制御部は、電力の需要が所定の第１閾値未満である場合に、前記水素の出力量を増加させるとともに、前記電力の出力量および前記熱の出力量を低下させ、該電力の需要が該第１閾値以上の第２閾値以上である場合に、該水素の出力量を低下させるとともに、該電力の出力量および該熱の出力量を増加させ、前記貯蔵制御部は、前記電力の需要が前記第１閾値未満である場合に前記水素吸蔵合金を冷却して水素を吸蔵させ、該電力の需要が前記第２閾値以上である場合に前記固体酸化物形燃料電池から出力された熱で該水素吸蔵合金を加熱して、該水素吸蔵合金から水素を放出させるとしてもよい。
【００１１】
また、前記固体酸化物形燃料電池は、前記電力の需要が前記第１閾値未満である場合に、前記水素吸蔵合金が水素を吸蔵することによって生じる熱を利用して前記水素を出力するとしてもよい。
【００１２】
また、水を電気分解することで、水素を出力する固体酸化物形電解セルを備え、前記水素貯蔵部は、前記固体酸化物形電解セルから出力された水素を貯蔵するとしてもよい。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、水素、電力、および、熱を出力することができる固体酸化物形燃料電池を効率よく運転することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】燃料電池システムを説明する図である。
【図２】電力の需要が少ない場合の燃料電池システムにおける水素の流れを説明する図である。
【図３】電力の需要が多い場合の燃料電池システムにおける水素の流れを説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。かかる実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値等は、発明の理解を容易とするための例示にすぎず、特に断る場合を除き、本発明を限定するものではない。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、また本発明に直接関係のない要素は図示を省略する。
【００１６】
（燃料電池システム１００）
図１は、燃料電池システム１００を説明する図である。図１に示すように、燃料電池システム１００は、固体酸化物形燃料電池１１０と、固体酸化物形電解セル１２０と、水素貯蔵部１３０と、熱交換部１４０と、水素発電部１５０と、電池制御部１６０と、貯蔵制御部１７０とを含んで構成される。なお、図１中、制御信号の流れを破線の矢印で示す。
【００１７】
固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）１１０は、炭化水素（ＣｎＨｍ）、水（Ｈ２Ｏ、水蒸気）、および、空気（酸素（Ｏ２））を原料として、水素（Ｈ２）、電力、および、熱を出力する。具体的に説明すると、固体酸化物形燃料電池１１０には、炭化水素（例えば、都市ガス）、水、および、酸素（例えば、空気）が供給される。そうすると、固体酸化物形燃料電池１１０において下記反応式（１）に示す反応が進行し、水素および一酸化炭素（ＣＯ）が生成される。
ＣｎＨｍ  ＋  ｎＨ２Ｏ  →  ｎＣＯ  ＋  （ｍ／２＋ｎ）Ｈ２      …反応式（１）
【００１８】
このようにして生成された水素および一酸化炭素が、固体酸化物形燃料電池１１０を構成する燃料極に接触して、下記反応式（２）、（３）に示す酸化反応が進行する。また、固体酸化物形燃料電池１１０を構成する空気極に酸素が接触して、下記反応式（４）に示す還元反応が進行する。そして、空気極で生じた酸化物イオン（Ｏ２−）が、固体酸化物形燃料電池１１０を構成する電解質を通過して燃料極に移動することにより、固体酸化物形燃料電池１１０において電力が生じる（発電される）こととなる。
Ｈ２  ＋  Ｏ２−  →  Ｈ２Ｏ  ＋  ２ｅ−      …反応式（２）
ＣＯ  ＋  Ｏ２−  →  ＣＯ２  ＋  ２ｅ−      …反応式（３）
１／２Ｏ２  ＋  ２ｅ−  →  Ｏ２−      …反応式（４）
【００１９】
なお、上記反応式（２）〜（４）に示す反応は発熱反応である。このため、固体酸化物形燃料電池１１０において上記反応式（２）〜（４）に示す反応が進行して電力が出力される際には、同時に熱（７００℃〜１０００℃程度）も出力されることとなる。
【００２０】
また、固体酸化物形燃料電池１１０から電力を出力しない場合には上記反応式（２）〜（４）に示す反応を進行させない。このため、上記反応式（１）に示す反応が進行することによって生成された水素が固体酸化物形燃料電池１１０から出力されることとなる。また、下記反応式（５）に示すシフト反応（発熱反応）が進行することによって水素が生成され、生成された水素が固体酸化物形燃料電池１１０から出力されることとなる。
ＣＯ  ＋  Ｈ２Ｏ  →  Ｈ２  ＋ＣＯ２      …反応式（５）
【００２１】
固体酸化物形電解セル（ＳＯＥＣ）１２０には、水（水蒸気）と電力が供給される。固体酸化物形電解セル１２０において水を電気分解することにより、下記反応式（６）、（７）に示す反応が進行し、水素が生成される。
Ｈ２Ｏ  ＋  ２ｅ−  →  Ｈ２  ＋  Ｏ２−      …反応式（６）
Ｏ２−  →  １／２Ｏ２  ＋  ２ｅ−      …反応式（７）
【００２２】
水素貯蔵部１３０は、例えば、水素吸蔵合金を含んで構成される。水素貯蔵部１３０には、配管１１２を介して固体酸化物形燃料電池１１０が接続されている。したがって、固体酸化物形燃料電池１１０から出力された水素は、配管１１２を通じて水素貯蔵部１３０に供給され、水素貯蔵部１３０において貯蔵（吸蔵）されることとなる。また、水素貯蔵部１３０には、配管１２２を介して固体酸化物形電解セル１２０が接続されている。したがって、固体酸化物形電解セル１２０から出力された水素は、配管１２２を通じて水素貯蔵部１３０に供給され、水素貯蔵部１３０において貯蔵されることとなる。
【００２３】
水素貯蔵部１３０を備える構成により、固体酸化物形燃料電池１１０が発電していない間に出力される水素および固体酸化物形電解セル１２０によって出力される水素を貯蔵することが可能となる。
【００２４】
また、水素貯蔵部１３０が水素吸蔵合金を含む構成により、高圧ガス保安法や建築基準法による制約を受けることなく水素を貯蔵することができる。
【００２５】
具体的に説明すると、水素を貯蔵する手段として、上記水素吸蔵合金を用いる手段の他に、（１）水素を２０ＭＰａ〜４０ＭＰａ程度まで昇圧して蓄圧器に貯蔵する手段、（２）水素を１ＭＰａ以下の所定の圧力まで昇圧してフォルダに貯蔵する手段が考えられる。（１）の場合、水素自体を貯蔵することになるため、高圧ガス保安法や建築基準法の制約を受け、設置場所が制限されたり、貯蔵量の上限が制限されたりする。
【００２６】
一方、水素吸蔵合金を用いる場合、水素貯蔵部１３０は、水素自体を貯蔵するのではなく、水素化物として水素を吸蔵することとなるため、高圧ガス保安法および建築基準法の制約を受けることはない。したがって、水素貯蔵部１３０を水素吸蔵合金で構成することにより、設置場所が制限されることなく、また、貯蔵量の上限を制限されることなく、水素を貯蔵（吸蔵）することが可能となる。
【００２７】
また、上記（２）の場合、高圧ガス保安法の制約を受けることはないが、水素貯蔵部（タンク）の設置高さについて建築基準法の制約を受けることとなる。したがって、水素貯蔵部自体の設置高さが制限され、設置面積が大きくなってしまうという問題がある。
【００２８】
一方、水素吸蔵合金で水素を吸蔵（貯蔵）する構成では、同量の水素を貯蔵する場合、（２）と比較して、設置体積を小さくする（水素貯蔵部１３０を小型化する）ことが可能となる。
【００２９】
熱交換部１４０は、冷却手段（例えば、水冷手段、空冷手段）と、加熱手段とを含んで構成され、後述する貯蔵制御部１７０の制御指令に応じて、水素貯蔵部１３０を構成する水素吸蔵合金を冷却して水素を吸蔵させたり、水素吸蔵合金を加熱して水素を放出させたりする。
【００３０】
水素発電部１５０は、例えば、固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）で構成され、水素を原料として発電する。水素発電部１５０には、配管１３２を介して水素貯蔵部１３０が接続されている。したがって、水素貯蔵部１３０から排出（放出）された水素が水素発電部１５０に供給される。そして、水素発電部１５０は、水素貯蔵部１３０から供給された水素を原料として発電することとなる。
【００３１】
電池制御部１６０は、ＣＰＵ（中央処理装置）を含む半導体集積回路で構成され、ＲＯＭからＣＰＵ自体を動作させるためのプログラムやパラメータ等を読み出し、ワークエリアとしてのＲＡＭや他の電子回路と協働して、固体酸化物形燃料電池１１０および固体酸化物形電解セル１２０を管理および制御する。本実施形態において、電池制御部１６０は、固体酸化物形燃料電池１１０を制御して、水素の出力量、電力の出力量（発電量）、熱の出力量を制御する。また、電池制御部１６０は、固体酸化物形電解セル１２０に電力を供給して電気分解を促進したり、固体酸化物形電解セル１２０への電力供給を停止して電気分解を停止したりする。
【００３２】
貯蔵制御部１７０は、ＣＰＵ（中央処理装置）を含む半導体集積回路で構成され、ＲＯＭからＣＰＵ自体を動作させるためのプログラムやパラメータ等を読み出し、ワークエリアとしてのＲＡＭや他の電子回路と協働して、熱交換部１４０を制御する。本実施形態において、貯蔵制御部１７０は、熱交換部１４０を駆動し、水素貯蔵部１３０を構成する水素吸蔵合金を冷却して水素吸蔵合金に水素を吸蔵させたり、水素吸蔵合金を加熱して水素吸蔵合金から水素を放出させたりする。
【００３３】
続いて、電池制御部１６０による固体酸化物形燃料電池１１０、固体酸化物形電解セル１２０の制御、および、貯蔵制御部１７０による水素貯蔵部１３０の制御について説明する。
【００３４】
図２は、電力の需要が少ない場合の燃料電池システム１００における水素の流れを説明する図であり、図３は、電力の需要が多い場合の燃料電池システム１００における水素の流れを説明する図である。なお、図２、図３中、水素の流れを太線の矢印で示し、制御信号の流れを破線の矢印で示し、熱の流れを一点鎖線の矢印で示す。
【００３５】
燃料電池システム１００が設置される需要家における電力の需要が所定の第１閾値未満である場合、電池制御部１６０は、配管１１２に設けられたバルブ１１４を開弁する。そして、電池制御部１６０は、固体酸化物形燃料電池１１０を制御して、水素の出力量を増加させるとともに、電力の出力量および熱の出力量を低下させる。具体的に説明すると、電池制御部１６０は、固体酸化物形燃料電池１１０に対して、上記反応式（１）、（５）に示す反応を進行させる。ここで、生じた排熱は、湯水、水蒸気として取り出したり、後述する熱交換部１４０に供給したりする。
【００３６】
また、電池制御部１６０は、配管１２２に設けられたバルブ１２４を開弁する。そして、電池制御部１６０は、固体酸化物形電解セル１２０に電力を供給して、水の電気分解を開始させ、水素の出力量を増加させる（開始させる）。なお、電池制御部１６０が固体酸化物形電解セル１２０に供給する電力は、例えば、太陽光発電（ＰＶ）によって得られた電力や、商用電源からの電力である。
【００３７】
そうすると、図２に示すように、固体酸化物形燃料電池１１０から出力された水素および固体酸化物形電解セル１２０から出力された水素は、水素貯蔵部１３０に供給され、水素貯蔵部１３０において水素吸蔵合金に水素が吸蔵されることとなる。
【００３８】
また、貯蔵制御部１７０は、熱交換部１４０を制御して、水素貯蔵部１３０の水素吸蔵合金を冷却する。水素吸蔵合金による水素の吸蔵は発熱反応であるため、熱交換部１４０によって水素吸蔵合金が冷却されることにより、水素の吸蔵を効率よく行うことができる。
【００３９】
なお、熱交換部１４０は、水素吸蔵合金を冷却することによって取得した熱を固体酸化物形燃料電池１１０および固体酸化物形電解セル１２０に伝達する。これにより、固体酸化物形燃料電池１１０、固体酸化物形電解セル１２０において水蒸気の生成（水蒸気改質反応）に要する熱を補うことができ、上記反応式（１）に示す反応、および、反応式（６）に示す反応を促進させることが可能となる。したがって、固体酸化物形燃料電池１１０および固体酸化物形電解セル１２０における水素の生成効率を向上させることができる。
【００４０】
このように、需要家における電力の需要が相対的に少ない場合、固体酸化物形燃料電池１１０による電力の出力量を低減させることで、水素の出力量を増加させることができる。そして、出力された水素を水素貯蔵部１３０に貯蔵することが可能となる。
【００４１】
一方、燃料電池システム１００が設置される需要家における電力の需要が第１閾値以上の第２閾値以上である場合、電池制御部１６０は、固体酸化物形燃料電池１１０を制御して、水素の出力量を低下させるとともに、電力の出力量および熱の出力量を増加させる。具体的に説明すると、電池制御部１６０は、固体酸化物形燃料電池１１０に対して、上記反応式（１）〜（４）に示す反応および下記反応式（８）に示す逆シフト反応（反応式（５）に示す反応の逆反応）を進行させる。
Ｈ２  ＋ＣＯ２  →  ＣＯ  ＋  Ｈ２Ｏ      …反応式（８）
【００４２】
また、電池制御部１６０は、固体酸化物形電解セル１２０を停止させる。そして、電池制御部１６０は、図３に示すように、バルブ１１４、１２４を閉弁する。
【００４３】
また、貯蔵制御部１７０は、熱交換部１４０を制御して、水素貯蔵部１３０の水素吸蔵合金を加熱するとともに、配管１３２に設けられたバルブ１３４を開弁する。水素吸蔵合金による水素の放出は吸熱反応であるため、熱交換部１４０によって水素吸蔵合金が加熱されることにより、水素吸蔵合金から水素が放出されることとなる。こうして放出された水素は、配管１３２を介して水素発電部１５０に供給される。そして、水素発電部１５０において、発電が為されることとなる。
【００４４】
このように、需要家における電力の需要が相対的に多い場合、固体酸化物形燃料電池１１０による電力の出力量を増加させるとともに、水素貯蔵部１３０から水素を放出させて水素発電部１５０で発電を行うことができる。これにより、固体酸化物形燃料電池１１０による発電に加えて、水素発電部１５０による発電を行うことができ、需要家における電力需要に対応することが可能となる。
【００４５】
なお、この際、熱交換部１４０は、固体酸化物形燃料電池１１０から出力された熱で水素吸蔵合金を加熱する。これにより、水素吸蔵合金を加熱するためのヒータ等が不要となり、熱交換部１４０のランニングコストを低減することができる。また、熱交換部１４０の小型化を図ることが可能となる。
【００４６】
以上説明したように、本実施形態にかかる燃料電池システム１００によれば、需要家における電力の需要が相対的に少ない期間に水素を生成させて貯蔵しておき、電力の需要が相対的に多い期間に、貯蔵した水素を利用して発電することができる。したがって、電力の需要に応じて、固体酸化物形燃料電池１１０を効率的に運転することが可能となる。
【００４７】
以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明はかかる実施形態に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
【００４８】
例えば、上記実施形態において、水素吸蔵合金を含んで構成される水素貯蔵部１３０を例に挙げて説明した。しかし、水素貯蔵部１３０は、水素を２０ＭＰａ〜４０ＭＰａ程度まで昇圧する手段と、昇圧された水素を貯蔵する蓄圧器とを含んで構成されてもよい。また、水素貯蔵部１３０は、水素を１ＭＰａ以下の所定の圧力まで昇圧する手段と、昇圧された水素を貯蔵するフォルダとを含んで構成されてもよい。
【００４９】
また、上記実施形態では、固体酸化物形燃料電池１１０、固体酸化物形電解セル１２０が生成した水素を水素貯蔵部１３０に直接供給する構成を例に挙げて説明した。しかし、固体酸化物形燃料電池１１０、固体酸化物形電解セル１２０から送出されるガスには、水素に加えて、ＣＯ２、ＣＯ等の不純物が含まれる場合がある。このため、固体酸化物形燃料電池１１０、固体酸化物形電解セル１２０から送出されたガスをＰＳＡ装置等で精製して水素の純度を高めた（例えば、９９．９９９％程度）後、水素貯蔵部１３０に供給してもよい。また、精製することによって生じる残渣ガス（Ｈ２、ＣＯ２、ＣＯ）は、燃料として固体酸化物形燃料電池１１０に供給されてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００５０】
本発明は、固体酸化物形燃料電池を備えた燃料電池システムに利用することができる。
【符号の説明】
【００５１】
１００  燃料電池システム
１１０  固体酸化物形燃料電池
１２０  固体酸化物形電解セル
１３０  水素貯蔵部
１５０  水素発電部
１６０  電池制御部
１７０  貯蔵制御部
【図１】
2018026234.tif 000003
【図２】
2018026234.tif 000004
【図３】
2018026234.tif 000005