(57)【要約】【課題】外部から電力を供給することなく補機類を駆動でき、設置家屋が停電状態の場合でも起動できる燃料電池発電装置を提供する。【解決手段】燃料電池本体と、駆動エネルギーが電力である補機と、燃料電池本体で発電した電力を変換して前記補機および後で記載する制御装置に供給する電力変換器と、前記補機および前記電力変換器を制御する制御装置とを備えた燃料電池発電装置において、燃料電池発電装置の筐体外部に備えた機械力伝達手段と、前記機械力伝達手段から伝達された力により発電する誘導式発電機と、前記誘導式発電機で発電した電力を蓄積する電気エネルギー蓄積手段とを備え、前記電気エネルギー蓄積手段は、前記電力変換器に電力を供給でき、前記制御装置は補機類および制御装置に供給される電力を電気エネルギー蓄積手段に蓄積された電力または燃料電池本体が発電する電力のいずれかに切り替える電力切替え手段を備える。【選択図】図１
2008269908.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池本体と、駆動エネルギーが電力であり水素と酸化剤を前記燃料電池本体へ供給する補機と、制御装置と、燃料電池本体で発電した電力を変換して前記補機および前記制御装置に供給する電力変換器と、前記補機および前記電力変換器を制御する制御装置とを備えた燃料電池発電装置において、
機械力伝達手段と、前記機械力伝達手段から伝達された力により発電する誘導式発電機と、前記誘導式発電機で発電した電力を蓄積する電気エネルギー蓄積手段とを備え、前記電気エネルギー蓄積手段は、前記電力変換器に電力を供給でき、前記制御装置は補機類および制御装置に供給される電力を電気エネルギー蓄積手段に蓄積された電力または燃料電池本体が発電する電力のいずれかに切り替える電力切替え手段を備えることを特徴とする燃料電池発電装置。
【請求項２】
前記電気エネルギー蓄積手段に蓄積された電力を測定するセンサと、前記センサで測定された電力が所定値以上である場合に信号を発する通知手段を備えることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池発電装置。
【請求項３】
前記機械力伝達手段がクランクまたは風車であることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池発電装置。
【請求項４】
前記機械力伝達手段が着脱自在に接続されたことを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池発電装置。
【請求項５】
外部から機械力伝達手段により誘導式発電機に回転力を伝達して発電し、電気エネルギー蓄積手段に電力を蓄える蓄電工程と、前記蓄電工程中に電気エネルギー蓄積手段の蓄積電力量をセンサで測定し、前記センサが電気エネルギー蓄積手段に所要の電力が蓄積されたことを検知すると通知手段を作動させて使用者に通知する蓄積電力量検知工程と、前記蓄積電力量検知工程の後に、起動開始操作を受けると電力変換器から補機類および制御装置に電力供給を開始し、起動シーケンスに従い補機類を作動させて燃料電池本体による発電を開始する起動工程と、前記起動工程に引き続き、補機類および制御装置に供給される電力を電気エネルギー蓄積手段に蓄積された電力から燃料電池本体が発電する電力に切り替える電力切替え工程を実行することを特徴とする燃料電池発電装置の起動方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、起動時に外部から商用電源を供給することなく運転可能な燃料電池発電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来は、数百ｋＷクラスの比較的大型の燃料電池発電装置が主流であったが、近年は、運転温度が低く、安価な材料で構成できる固体高分子電解質形燃料電池（ＰＥＦＣ:Ｐｏｌｙｍｅｒ  Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ）の開発が盛んに行われてきている。家庭用においては、限られた設置スペースに収容できるように小型化が必要であり、また、レジャー用などの移動して使用する用途の普及拡大のためには、小型化とあわせて軽量化が重要な課題である。
【０００３】
図４は、従来の燃料電池発電装置の概略構成の一例を示した図である。原燃料である都市ガスは、改質器３で水素を含有するガスに改質され燃料電池本体１のアノード極側に導入される。酸化剤としての空気は、反応空気ブロア７により大気から燃料電池本体１のカソード極側に導入される。そして、燃料電池本体１で前記水素ガスと空気が電気化学反応して発電された電力は、電力変換器１５で直流から交流に変換された後、燃料電池発電装置内の補機類や制御装置等、および、外部の電気機器の電源として供給される。燃料電池本体１で水素と酸素が反応して水が生成され、回収水タンク１０で水分を含んだ排気ガスから水を回収している。回収した水は、回収水ポンプ１３で冷却水タンク９に送液され、電池冷却水ポンプ８により燃料電池本体１に送液されて燃料電池本体１の冷却に供されるとともに改質用水ポンプ１４で取り出され、燃料ガスに混合され改質器３に導入される。水が不足する場合は、補給水弁１２から純水を供給する。
【０００４】
改質器３での改質反応は６００℃以上での吸熱反応であり熱源が必要となるので、起動時には原燃料配管から分岐させて助燃用燃料弁２１を経由した都市ガスと、外気から燃焼空気ブロア６により送風した空気を改質器３の燃焼バーナー部に導入して改質器３の内部で燃焼させることにより改質器３に備えた触媒を昇温させる。改質反応開始後の運転継続時には燃料電池本体１のアノード極側から排出されるオフガスを改質器３のバーナー部に導入して同様に燃焼させることにより前記改質器３の温度を維持するように制御される。
【０００５】
なお、記載されているポンプおよび弁は、電気で作動し、図示しない制御装置で制御されるものである。そして、起動時にポンプおよび弁の補機類や、制御装置を動かすための電力は、燃料電池発電装置外部の商用電源から供給されている。
また、外部からの商用電源が不要な燃料電池発電装置として、次の文献が知られている。特許文献１には、燃料貯蔵手段から供給される燃料で電気化学反応を生じ、電気エネルギーを出力する燃料電池を備えた燃料電池システムであって、機械エネルギー、位置エネルギーおよび熱エネルギのうち少なくともいずれか一つを駆動エネルギーとして蓄積して供給する駆動エネルギー蓄積手段と、この駆動エネルギー蓄積手段からの駆動エネルギーにより前記燃料を前記燃料電池に供給する供給手段と、前記駆動エネルギー蓄積手段からの駆動エネルギーを電気エネルギーに変換する発電機と、この発電機にて変換された電気エネルギーで駆動されて前記供給手段の駆動を制御する制御手段と、前記燃料電池での発電状況を検出する発電状況検出手段とを備え、前記制御手段は、前記発電状況検出手段からの検出信号に基づいて前記供給手段を制御することを特徴とする燃料電池システムが開示されている。
【特許文献１】特開２００４−１６４９５４
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上述したように燃料電池発電装置は、多数のブロアや電磁弁等の補機と呼ばれる部品を内蔵しており、これらは電気エネルギーにより駆動しかつ制御されているのが一般的である。発電状態では、燃料電池本体１で発生した電気エネルギーは、電力変換器１５で直流から所定電圧の交流に変換されて外部へ電力供給されると同時に前述の内部にある補機類には電力供給し自立運転している。
【０００７】
しかしながら、装置停止状態から起動し発電開始するまでの時間は電力供給源を持たないので、家庭用燃料電池では商用電源を外部から供給することにより補機類を駆動する必要がある。そのため、設置家屋が停電状態の場合は起動できず、発電装置でありながら別に電源が必要であるという問題点があった。
そして、特許文献１の燃料電池発電装置は、機械エネルギーを駆動エネルギーとして蓄積して供給し（駆動エネルギー蓄積手段）、駆動エネルギー蓄積手段からの駆動エネルギーにより燃料を燃料電池に供給するようにしているため、燃料の流量制御が困難であり、駆動エネルギー蓄積手段を備えることから重量がより重くなるという問題点があった。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するため、請求項１に記載の発明では、燃料電池本体と、駆動エネルギーが電力であり水素と酸化剤を前記燃料電池本体へ供給する補機と、制御装置と、燃料電池本体で発電した電力を変換して前記補機および前記制御装置に供給する電力変換器と、前記補機および前記電力変換器を制御する制御装置とを備えた燃料電池発電装置において、機械力伝達手段と、前記機械力伝達手段から伝達された力により発電する誘導式発電機と、前記誘導式発電機で発電した電力を蓄積する電気エネルギー蓄積手段とを備え、前記電気エネルギー蓄積手段は、前記電力変換器に電力を供給でき、前記制御装置は補機類および制御装置に供給される電力を電気エネルギー蓄積手段に蓄積された電力または燃料電池本体が発電する電力のいずれかに切り替える電力切替え手段を備える。
【０００９】
また、請求項２に記載の発明では、請求項１に記載の燃料電池発電装置において、前記電気エネルギー蓄積手段に蓄積された電力を測定するセンサと、前記センサで測定された電力が所定値以上である場合に信号を発する通知手段を備える。
また、請求項３に記載の発明では、請求項１に記載の燃料電池発電装置において、前記機械力伝達手段がクランクまたは風車である。クランクの場合は、人力によりクランクに回転力を与えて誘導式発電機で発電が行なわれる。
また、請求項４に記載の発明では、請求項１または２に記載の燃料電池発電装置において、前記機械力伝達手段が着脱自在に接続されている。クランク軸や風車等の外部からの機械力伝達手段の使用頻度は、ごく少ないことが想定されるので、着脱可能かあるいは折りたたんで収納する構造が望ましく、常時は取り外すか折りたたんで収納保管することにより、発電装置を小型化することが望ましい。
【００１０】
また、請求項５に記載の発明では、外部から機械力伝達手段により誘導式発電機に回転力を伝達して発電し、電気エネルギー蓄積手段に電力を蓄える蓄電工程と、前記蓄電工程中に電気エネルギー蓄積手段の蓄積電力量をセンサで測定し、前記センサが電気エネルギー蓄積手段に所要の電力が蓄積されたことを検知すると通知手段を作動させて使用者に通知する蓄積電力量検知工程と、前記蓄積電力量検知工程の後に、起動開始操作を受けると電力変換器から補機類および制御装置に電力供給を開始し、起動シーケンスに従い補機類を作動させて燃料電池本体による発電を開始する起動工程と、前記起動工程に引き続き、補機類および制御装置に供給される電力を電気エネルギー蓄積手段に蓄積された電力から燃料電池本体が発電する電力に切り替える電力切替え工程を実行する燃料電池発電装置の起動方法である。
【発明の効果】
【００１１】
請求項１に記載の発明によれば、外部から電力を供給することなく補機類を駆動できるため、設置家屋が停電状態の場合でも起動できる。さらに、電気エネルギー蓄積手段で一旦電力を蓄積した後、制御装置により補機類を制御するので、容易に流量制御ができる。
請求項２に記載の発明によれば、電気エネルギー蓄積手段に蓄えねばならない電力必要量が把握でき、必要以上に機械力伝達手段を動かす労力を低減できる。
【００１２】
請求項３に記載の発明によれば、クランク軸あるいは風車による回転力で初期の電力を賄えるので、家庭用では停電状態からの起動か可能になり、郊外でのレジャー用やキャンプ用として、外部電源を供給できない場合であっても運転可能となり、小型軽量な燃料電池発電装置を提供できる。
請求項４に記載の発明によれば、機械力伝達手段を燃料電池発電装置から着脱可能にした事により、燃料電池発電装置を小型化できる。
【００１３】
請求項５に記載の燃料電池発電装置の起動方法によれば、外部から商用電源を供給することなく補機類を駆動できるため、設置家屋が停電状態の場合でも起動できる。さらに、電気エネルギー蓄積手段で一旦電力を蓄積した後、制御装置により補機類を制御するので、容易に流量制御ができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
図１は、本発明による燃料電池発電装置の第１の実施形態の概略構成図である。図１は、図４に装置外部からの回転力により発電を行なう誘導式発電機１６と、誘導式発電機１６で発電した電気エネルギーを２次電池１７に送る配線（点線で記載）と、電気エネルギー蓄積手段である２次電池１７と、２次電池に蓄積された電力を電力変換器１５に送電する配線（点線で記載）と、電力変換器１５と、電力変換器１５からブロアや電磁弁等の補機類に電力供給する配線（図では省略）が追加されている。制御装置は、少なくとも補機や電力変換器を制御している。
【００１５】
起動は、次の手順で行われる。まず、外部から後述する回転力を与える手段により誘導式発電機１６に回転力を伝達して発電し、２次電池１７に電力を蓄える（蓄電工程）。
この蓄電工程中に、２次電池の蓄積電力量をセンサで測定し、前記センサが２次電池に所要の電力が蓄積されたことを検知すると、ランプを点灯あるいはブザーを作動させる等の通知手段を作動させ、使用者に通知する（蓄積電力量検知工程）。通知後の状態をスタンバイ状態と称する。スタンバイ状態を確認した使用者がスイッチをＯＮするなどの起動開始操作を受けると電力変換器１５から補機類および制御装置に電力供給を開始し、予め決められた起動シーケンスに従い補機類を作動させて、燃料電池本体による発電を開始する（起動工程）。起動シーケンスでは、まず、助燃用燃料弁２１を開け、燃焼空気ブロア６を駆動して改質器３で都市ガスと空気の混合ガスを燃焼させ、改質器３に内蔵した触媒を昇温する。改質器３が所定温度に達した後、改質用水ポンプ１４を駆動して改質用水を送ると共に原燃料弁１１も開いて燃料ガスを改質器に送り水蒸気改質により水素含有ガスを生成する。そして、この水素含有ガスを燃料電池本体１のカソード極に導入する。また、反応空気ブロア６も駆動し酸化剤である空気を燃料電池本体１のカソード極に導入することにより燃料電池本体１での発電が開始される。
【００１６】
その後、補機類および制御装置に供給される電力を電気エネルギー蓄積手段１７に蓄積された電力から燃料電池本体１が発電する電力に切り替える電力切替え工程を実行する。
すると、燃料電池本体１が発電する電力により補機類の電力が賄われる自立運転状態となる。燃料電池本体１は、温度が徐々に上昇するので、温度を８０℃前後の適正値に維持するために、燃料電池本体１に冷却水を通水する電池冷却水ポンプ８を駆動する。また、電池冷却水タンク９の水位を一定に保つために回収水ポンプ１３を適宜駆動し、水を補給する。
【００１７】
また、自立運転状態になったことランプもしくはブザーなどにより使用者に知らせて、回転力を与える部品をはずすように使用者に促すことが望ましい。
図２は、本発明による燃料電池発電装置の外観図であり、誘導式発電機１６の軸端部１８は、発電装置の開閉可能な窓（窓は開閉扉２２で開閉される）から取扱い可能な位置にあり、軸端部１８は図示しないキー結合、あるいは、スプラインなどの回転力を伝達可能なカップリング構造となっている。この軸端部１８にクランク軸１９を前記カップリング構造により接続した後に、クランク軸１９の他の端部を手動か足踏み等で回転力を加えて誘導式発電機１６で発電を行なうことができる。クランク軸１９は不要な時には外して保管することにより、発電装置に余計な突起部分を無くすことができる。
【００１８】
図３は、本発明による別の実施態様による燃料電池発電装置の外観図である。誘導式発電機１６の軸端部１８に風車２０をカップリング構造により接続する。本発明では、風車の形態は特に限定されないが、図示しているような半球形の受風面を持つパドル型が望ましい。また、図３では、燃料電池発電装置の側面に開口部を設けて風車２０を水平に配置したが、上面に開口部を設けて風車２０の軸を垂直に配置した方が風を受けるのにより適している。
【００１９】
なお、本発明は、前述したような都市ガスを燃料とした燃料電池のみならず、ＬＰＧや灯油、メタノール等の液体燃料、あるいは水素ガスを直接燃料とする燃料電池発電システムにも適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明による燃料電池発電装置の実施形態の概略構成図。
【図２】本発明の実施形態における、燃料電池発電装置の外観図。
【図３】本発明の別の実施形態における、燃料電池発電装置の外観図。
【図４】従来の燃料電池発電装置の実施形態の概略構成図。
【符号の説明】
【００２１】
１：燃料電池本体
３： 改質器
６：燃焼空気ブロア
７：反応空気ブロア
８：電池冷却水ポンプ
９：冷却水タンク
１０：回収水タンク
１１：原燃料弁
１２：補給水弁
１３：回収水ポンプ
１４：改質用水ポンプ
１５：電力変換器
１６：誘導式発電機
１７：２次電池
１８：軸端部
１９：クランク軸
２０：風車
２１：助燃用燃料弁
２２：開閉扉
【図１】
2008269908.tif 000003
【図２】
2008269908.tif 000004
【図３】
2008269908.tif 000005
【図４】
2008269908.tif 000006