(57)【要約】【課題】化石燃料と純水素のハイブリッド方式による発電を効率的に行うことができる電源装置等を提供すること。【解決手段】電源装置１は、化学燃料の改質ガスを供給するための第１供給ラインと、水素を供給するための第２供給ラインと、第１供給ラインまたは第２供給ラインのいずれかに切り替えるための三方弁１３と、燃料電池スタック２０と、燃料電池スタック２０に空気を供給する空気ブロア１６と、第２供給ラインにおける水素の残量を用いて、切替弁１３を制御して第１供給ラインまたは第２供給ラインのいずれかに切り替える制御部３０とを含む。【選択図】図１
2015201351.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
化学燃料と水素とを用いて発電する電源装置であって、
化学燃料の改質ガスを供給するための第１供給ラインと、
水素を供給するための第２供給ラインと、
前記第１供給ラインまたは前記第２供給ラインのいずれかに切り替えるための切替弁と、
前記いずれかの供給ラインにより発電するように構成されている燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックに空気を供給する空気ブロアと、
前記第２供給ラインにおける前記水素の残量を用いて、前記切替弁を制御して前記いずれかの供給ラインに切り替える制御部と
を含むことを特徴とする電源装置。
【請求項２】
前記制御部は、前記水素の残量がゼロで、かつ、前記水素の生成量が前記水素の消費量よりも少ない場合は、前記第１供給ラインにより発電されるように、前記切替弁を制御することを特徴とする請求項１に記載の電源装置。
【請求項３】
前記制御部は、前記水素の残量がゼロではない場合は、前記第１供給ラインにより発電されるように前記切替弁を制御することを特徴とする請求項１または２に記載の電源装置。
【請求項４】
前記制御部は、前記水素の残量がゼロで、かつ、前記水素の生成量が前記水素の消費量よりも少なくない場合は、前記第２供給ラインにより発電されるように、前記切替弁を制御することを特徴とする請求項１に記載の電源装置。
【請求項５】
化学燃料と水素とを用いて発電する電源装置の発電方法であって、
化学燃料の改質ガスを供給するための第１供給ライン、または、水素を供給するための第２供給ラインのいずれかにより発電する工程と、
前記第２供給ラインにおける前記水素の残量を用いて、前記切替弁を制御して前記いずれかの供給ラインに切り替える工程と
を含むことを特徴とする発電方法。
【請求項６】
前記切り替える工程では、前記水素の残量がゼロで、かつ、前記水素の生成量が前記水素の消費量よりも少ない場合は、前記第１供給ラインにより発電するように前記切替弁を制御することを特徴とする請求項５に記載の発電方法。
【請求項７】
前記切り替える工程では、前記水素の残量がゼロでない場合は、前記第２供給ラインにより発電するように前記切替弁を制御することを特徴とする請求項５または６に記載の発電方法。
【請求項８】
前記切り替える工程では、前記水素の残量がゼロで、かつ、前記水素の生成量が前記水素の消費量より少なくない場合は、前記第２供給ラインにより発電するように前記切替弁を制御することを特徴とする請求項５ないし７のいずれかに記載の発電方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気化学反応により発電を行う電源装置およびその発電方法に関する。
【０００２】
従来、水素等の燃料と空気等の酸化剤とを用いて電気化学反応させることにより発電を行う燃料電池発電装置が知られている（非特許文献１）。
【０００３】
燃料電池の燃料として水素を利用する場合、水の電気分解により電気を生成することが可能であり、排ガスが水のみとなることから、水素は再生可能エネルギーとして注目されている。しかし、その場合の発電方法やロジスティクス等の観点から、水素のみで発電するのは、化石燃料で発電する場合と比べて安定供給の面で未だ課題がある。このため、化石燃料と純水素の双方（ハイブリッド方式）で発電を行う電源装置の実現が期待されている。以下に、化学燃料で発電する電源装置（以下、化学燃料供給方式という。）と、純水素で発電する電源装置（以下、水素供給方式という。）の構成をそれぞれ図４および図５に示す。
【０００４】
図４は、従来の化学燃料供給方式の概略構成を説明するための図である。図４において、電源装置１００は、化学燃料（ＣＸＨＹ）を貯留するための貯留容器１０１と、ＣＯ除去器１０２と、改質器１０３と、燃料電池スタック１０４と、空気ブロワ１０８とを備える。
【０００５】
ＣＯ除去器１０２は、貯留容器１０１から改質器１０３に供給される化学燃料から一酸化炭素（ＣＯ）を除去するように構成され、改質器１０３は、化学燃料を水蒸気で改質して改質ガスを生成して燃料電池スタック１０４に供給するように構成されている。
【０００６】
燃料電池スタック１０４は、燃料極側セパレータ１０５と、プロトン伝導形電解質膜１０６と、空気極側セパレータ１０７とを備える。燃料電池スタック１０４には、改質ガスが改質器１０３から供給されるとともに、空気が空気ブロア１０８から供給され、燃料電池スタック１０４では、改質ガスと空気とが電気化学的に反応して発電できるようになっている。なお、燃料極側では、残ガスは排出される。
【０００７】
図５は、従来の純水素供給方式の概略構成を説明するための図である。  図５において、電源装置２００は、水素（Ｈ２）を貯留するための貯留容器２０１と、燃料電池スタック２０２と、空気ブロワ２０６とを備える。
【０００８】
燃料電池スタック２０２は、燃料極側セパレータ２０３と、プロトン伝導形電解質膜２０４と、空気極側セパレータ２０５とを備える。燃料電池スタック２０２には、水素が貯留容器２０１から供給されるとともに、空気が空気ブロア２０６から供給され、燃料電池スタック１０４では、水素と空気とが電気化学的に反応して発電できるようになっている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】James Larminie著、他１名、「解説  燃料電池システム」、オーム社、２０１０年８月  第８章、８．１  イントロダクション
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
上記各方式の電源装置では、化石燃料と純水素の両方を供給するようにすることで、ハイブリッド方式で発電することもできる。しかしながら、本来の燃料と異なる燃料も利用して発電することになることから次のような問題があった。
【００１１】
すなわち化石燃料供給方式の場合は、電源装置自体がそもそも、燃料極側の残ガスが排出されるように構成されているため、純水素が供給された場合も純水素の残ガスが排出されることになり、その分、発電効率が悪くなる。
【００１２】
一方、純水素供給方式の場合は、電源装置は、ＣＯ除去器と改質器とを備えているので、水素に代えて化石燃料が供給された場合、ＣＯ除去器と改質器との機能によって、水素のほかに、二酸化炭素（ＣＯ２）と水（Ｈ２Ｏ）が生成されることになる。しかし、純水素供給方式では、電源装置は、ＣＯ２とＨ２Ｏとを除去する機構を備えていないため、ＣＯ２とＨ２Ｏとが燃料極近傍に充満し、安定的に発電できない。
【００１３】
本発明は、このような問題に対処するためになされたものであり、化石燃料と純水素のハイブリッド方式による発電を効率的に行うことができる電源装置およびその発電方法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】
【００１４】
上記の課題を解決するための本発明は、化学燃料と水素とを用いて発電する電源装置であって、化学燃料の改質ガスを供給するための第１供給ラインと、水素を供給するための第２供給ラインと、前記第１供給ラインまたは前記第２供給ラインのいずれかに切り替えるための切替弁と、前記いずれかの供給ラインにより発電するように構成されている燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックに空気を供給する空気ブロアと、前記第２供給ラインにおける前記水素の残量を用いて、前記切替弁を制御して前記いずれかの供給ラインに切り替える制御部とを含む。
【００１５】
前記制御部は、前記水素の残量がゼロで、かつ、前記水素の生成量が前記水素の消費量よりも少ない場合は、前記第１供給ラインにより発電されるように、前記切替弁を制御するようにしてもよい。
【００１６】
前記制御部は、前記水素の残量がゼロではない場合は、前記第１供給ラインにより発電されるように前記切替弁を制御するようにしてもよい。
【００１７】
前記制御部は、前記水素の残量がゼロで、かつ、前記水素の生成量が前記水素の消費量よりも少なくない場合は、前記第２供給ラインにより発電されるように、前記切替弁を制御するようにしてもよい。
【００１８】
また、上記の課題を解決するための本発明は、化学燃料と水素とを用いて発電する電源装置の発電方法であって、化学燃料の改質ガスを供給するための第１供給ライン、または、水素を供給するための第２供給ラインのいずれかにより発電する工程と、前記第２供給ラインにおける前記水素の残量を用いて、前記切替弁を制御して前記いずれかの供給ラインに切り替える工程とを含む。
【００１９】
前記切り替える工程では、前記水素の残量がゼロで、かつ、前記水素の生成量が前記水素の消費量よりも少ない場合は、前記第１供給ラインにより発電するように前記切替弁を制御するようにしてもよい。
【００２０】
前記切り替える工程では、前記水素の残量がゼロでない場合は、前記第２供給ラインにより発電するように前記切替弁を制御するようにしてもよい。
【００２１】
前記切り替える工程では、前記水素の残量がゼロで、かつ、前記水素の生成量が前記水素の消費量より少なくない場合は、前記第２供給ラインにより発電するように前記切替弁を制御するようにしてもよい。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、化石燃料と純水素のハイブリッド方式による発電を効率よく行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】第１実施形態における電源装置の概要構成を示す模式図である。
【図２】供給ラインの切り替えを実現するための制御部の動作を示すフローチャートである。
【図３】第２実施形態における電源装置の概要構成を説明するための図である。
【図４】従来の化学燃料供給方式の概略構成を説明するための図である。
【図５】従来の純水素供給方式の概略構成を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
＜第１実施形態＞
以下、本発明の一実施形態に係る電源装置１について説明する。この電源装置１は、２種類の燃料、すなわち化学燃料または水素のいずれかを用いて発電を行うものである。
【００２５】
［電源装置１の構成］
図１は、本発明の一実施形態に係る電源装置１の概要構成を示す模式図である。
図１に示すように、電源装置１は、化学燃料（ＣＸＨＹ）を貯留するための貯留容器１０と、ＣＯ除去器１１と、改質器１２と、三方弁（切替弁）１３と、水素（Ｈ２）を貯留するための貯留容器１４と、排出弁１５と、空気ブロワ１６と、燃料電池スタック２０と、制御部３０とを備える。化学燃料（ＣＸＨＹ）は炭化水素である。
【００２６】
ＣＯ除去器１１は、貯留容器１０から改質器１２に供給される化学燃料から一酸化炭素（ＣＯ）を除去するように構成され、改質器１２は、化学燃料を例えば水蒸気で改質して改質ガスを生成するように構成されている。
【００２７】
三方弁１３は、制御部３０からの切り替え指示に応じて、上述した改質ガスを燃料電池スタック２０に供給したり貯留容器１４中の水素を燃料電池スタック２０に供給したりすることができる。
以下の各実施形態の説明では、貯留容器１０→ＣＯ除去器１１→改質器１２→三方弁１３→燃料電池スタック２０の経路に従って化学燃料の改質ガスが供給されるラインを、「第１供給ライン」と称す。また、貯留容器１４→三方弁１３→燃料電池スタック２０の経路に従って水素が供給されるラインを、「第２供給ライン」と称す。
【００２８】
後述するように、この実施形態の制御部３０は、第２供給ラインから供給される水素の残量を用いて、第１供給ラインまたは第２供給ラインのいずれかに切り替えるように三方弁１３を制御する。この場合、貯留容器１４内には、例えば、貯留容器１４内の圧力を検出する圧力センサ（図示なし）が備えられており、この圧力センサの出力が制御部３０に伝送され、制御部３０はその圧力センサの出力に基づいて、貯留容器１４内の水素の残量を決定する。
【００２９】
また、制御部３０は、第１供給ラインまたは第２供給ラインの切り替え時に、水素の残量のほかにも、水素の生成量と水素の消費量とを用いて三方弁１３を制御する。この場合、制御部３０は、図示しないメモリに対する読み出し処理を行って、または、外部コントローラに対するリクエスト処理等を行って、水素の生成量と水素の消費量とを取得する。
【００３０】
燃料電池スタック２０は、燃料極側セパレータ２１と、プロトン伝導形電解質膜２２と、空気極側セパレータ２３とを備える。例えば、第１供給ラインによる改質ガスの供給下は、燃料電池スタック２０では、改質器１０３からの改質ガスと、空気ブロア１０８からの空気とが電気化学的に反応して発電するようになっている。そして、燃料極側セパレータ２１と接続される排出弁１５からは、改質ガスが排出される。
【００３１】
第２供給ラインによる水素の供給下は、燃料電池スタック２０では、貯留容器１４内の水素と、空気ブロア１０８からの空気とが電気化学的に反応して発電するようになっている。
【００３２】
［制御部の切り替え制御］
以下、第１供給ラインまたは第２供給ラインの切り替えを実現するための制御部３０の動作について図２を参照して説明する。
【００３３】
図２は、供給ラインの切り替えを実現するための制御部３０の動作を示すフローチャートである。
図２において、制御部３０は、貯蔵容器１４内の水素の残量が０かどうかを判断する（ステップＳ１０１）。この実施形態の電源装置１では、貯蔵容器１４内の圧力を検出する圧力センサが設けられており、制御部３０は、この圧力センサの出力に基づいて、水素の残量が０かどうかを判断するが、この残量判断が可能であれば他の方式を採用するようにしてもよい。
【００３４】
ステップＳ１０１で水素の残量が０と判断された場合（はい）、制御部３０はさらに、水素の生成量が、水素の消費量よりも少ないかどうかを判断する（ステップＳ１０２）。図２の例では、水素の生成量および水素の消費量は、制御部３０がメモリに対する読み出し処理を行うことにより取得されることになるが、外部のコントローラ等から取得されるようにしてもよい。
【００３５】
ステップＳ１０２で水素の生成量が水素の消費量よりも少ないと判断された場合（はい）、制御部３０は、第１供給ラインからの供給となるよう三方弁１３を制御する。さらに制御部３０は、排出弁１５を開状態とする制御を行う。これにより、電源装置１では、第１供給ライン下で改質ガスを用いた発電が効率的に行われる。
【００３６】
一方、ステップＳ１０１で水素の残量が０でないと判断された場合（いいえ）、および、ステップＳ１０２で水素の生成量が水素の消費量よりも少なくないと判断された場合（いいえ）、制御部３０は、第２供給ラインからの供給となるよう三方弁１３を制御する。さらに制御部３０は、排出弁１５を閉状態とする制御を行う。これにより、電源装置１では、第２供給ライン下で水素を用いた発電が効率的に行われる。
【００３７】
この結果、電源装置１では、第１供給ラインまたは第２供給ラインのいずれかの供給ラインからの供給により発電する工程と、第２供給ラインから供給される水素の残量を用いて、第１供給ラインまたは前記第２供給ラインのいずれかの供給ラインに切り替えるための三方弁１３を制御していずれかの供給ラインに切り替える工程とを含むことになる。これにより、電源装置１は、化石燃料と純水素のハイブリッド方式による効率的な発電が実施できる。
【００３８】
以上説明したように、本実施形態の電源装置１によれば、第１供給ラインまたは第２供給ラインのいずれかに切り替えるための三方弁１３と、いずれかの供給ラインからの供給により発電するように構成されている燃料電池スタック２０と、燃料電池スタック２０に空気を供給する空気ブロアとにより、発電が実施できる。ここで、三方弁１３を制御する制御部１３は、水素の残量を用いて、いずれかの供給ラインに切り替えるよう制御するので、適切なタイミングで、第１供給ラインまたは第２供給ラインのいずれかに切り替えることができる。これにより、化石燃料と純水素のハイブリッド方式による効率的な発電が実現できる。
【００３９】
＜第２実施形態＞
以上では、水素を生成する態様について言及しなかったが、太陽光発電システムや風力発電システムと接続された電気分解装置を利用して、水素を生成するようにしてもよい。
【００４０】
図３は、かかる電気分解装置４０を含む電源装置１Ａの概要構成を示す模式図である。なお、この電源装置１Ａの構成は、電気分解装置４０と発電システム５０とを含む点のみが図１と異なるので、この点を中心に説明する。
【００４１】
発電システム５０と接続された電気分解装置４０は、発電システム５０における水を電気分解して水素を得るように構成されている。そして、この水素が貯留容器１４に供給されて貯留容器１４で保持されるようになっている。発電システム５０は、太陽光発電システムや風力発電システム等である。このようにしても、第１実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００４２】
なお、上記各実施形態は、変更するようにしてもよい。
例えば、図２に示したステップＳ１０１の処理において、制御部３０は、水素の残量がゼロかどうかを判断する場合について説明したが、水素の残量が、あらかじめ設定されたしきい値以上かどうかを判断し、しきい値以上の場合はステップＳ１０２に進み、しきい値未満の場合はステップＳ１０４に進むようにしてもよい。
また、図２に示した処理において、ステップＳ１０１とステップＳ１０２の順序を逆にしてもよい。このようにしても上述した各実施形態で説明した効果を奏することができる。
【符号の説明】
【００４３】
１  燃料電池発電装置
１１  ＣＯ除去器
１２  改質器
１３  三方弁
１５  排出弁
１６  空気ブロア
２０  燃料電池スタック
【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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