(57)【要約】【課題】共同住宅の各戸に設置された燃料電池スタックの運転状態（水素所要量）を検出して制御し、運営効率性を高めた共同住宅燃料電池システム及びその運営方法を提供する。【解決手段】共同住宅の各戸に設置され、水素から電気と熱を発生させる燃料電池スタック5と、共用施設に設置され、燃料を改質して水素を生成し、多数戸を単一の供給モジュールにして配管を介して水素を供給する多数の燃料プロセッサ3と、前記燃料電池スタックの運転負荷状態を検出する検出器11と電気的に接続され、受け取った検出情報に基づいて各燃料プロセッサ3の運転を制御する制御器10と、前記燃料プロセッサ3で過剰生産された余剰水素を配管を介して取り入れて共用電気および熱エネルギーに転換する共用転換装置20とを含んでいる共同住宅燃料電池システム。【選択図】図３
2008108732.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
共同住宅の各戸に設置され、水素から電気と熱を発生させる多数の燃料電池スタックと、
共用施設に設置され、燃料を改質して水素を生成し、多数戸を単一の供給モジュールにして配管を介して水素を供給する多数の燃料プロセッサと、
前記燃料電池スタックの運転負荷状態を検出する検出器と電気的に接続され、受け取った検出情報に基づいて、各燃料プロセッサの運転を制御する制御器と、
前記燃料プロセッサで過剰生産された余剰水素を、配管を介して取り入れて、共用電気および熱エネルギーに転換する共用転換装置とを含んでいることを特徴とする共同住宅燃料電池システム。
【請求項２】
前記各燃料プロセッサは、前記供給モジュールを構成する各戸の燃料電池スタックに水素を供給するための主供給配管と、前記共用転換装置に選択的に余剰水素を供給するための弁付き補助供給配管とが接続されていることを特徴とする請求項１記載の共同住宅燃料電池システム。
【請求項３】
前記共用転換装置は、前記燃料プロセッサと弁付き配管で接続され、前記燃料プロセッサから選択的に水素を取り入れて電気と熱を生産する共用燃料電池スタックであることを特徴とする請求項１記載の共同住宅燃料電池システム。
【請求項４】
前記共用転換装置は、前記燃料プロセッサと弁付き配管で接続され、前記燃料プロセッサから選択的に水素を取り入れて熱を生産する水素ボイラーであることを特徴とする請求項１記載の共同住宅燃料電池システム。
【請求項５】
前記多数の燃料プロセッサは、いずれか一つの燃料プロセッサに故障が発生するとき、故障した燃料プロセッサから水素を取り入れる供給モジュールへ正常稼働中の燃料プロセッサから水素を選択的に供給するように、相互バイパスラインで配管接続される構成を有することを特徴とする請求項１記載の共同住宅燃料電池システム。
【請求項６】
前記バイパスラインは、補助供給配管に接続されることを特徴とする請求項５記載の共同住宅燃料電池システム。
【請求項７】
共同住宅の共用施設に設置される多数の燃料プロセッサから発生した水素を、個別に燃料電池スタックが設置された多数戸からなる単一の供給モジュールに供給する段階と、
前記燃料電池スタックの運転負荷状態を検出する検出器から検出情報を受け取った制御器で、前記供給モジュールの燃料プロセッサの運転を制御する段階とを含んでいることを特徴とする共同住宅燃料電池システムの運営方法。
【請求項８】
前記燃料プロセッサの運転を制御する段階で、
前記制御器は、燃料電池スタックの運転状態を検出する検出器によって水素消費量を測定し、各燃料プロセッサで生産される水素生産量を測定して、配管で接続された共用転換装置へ過剰生産された余剰水素が供給されるように選択的に管路制御を行う段階を含むことを特徴とする請求項７記載の共同住宅燃料電池システムの運営方法。
【請求項９】
前記余剰水素を供給される共用転換装置は、電気と熱を生産して共用施設用電源として提供するように配線される共用燃料電池スタックであることを特徴とする請求項８記載の共同住宅燃料電池システムの運営方法。
【請求項１０】
前記余剰水素を供給される共用転換装置は、熱を生産して各戸内の暖房および温水を提供するように配管される水素ボイラーであることを特徴とする請求項８記載の共同住宅燃料電池システムの運営方法。
【請求項１１】
前記燃料プロセッサの運転を制御する段階で、
前記制御器は、多数の燃料プロセッサを相互選択的に接続して、それぞれの供給モジュールへ生産された水素を迂回して供給されるバイパスラインの管路を選択的に切り換える段階を含むことを特徴とする、請求項７に記載の共同住宅燃料電池システムの運営方法。
【請求項１２】
前記バイパスラインの管路を切り換える段階で、
前記制御器は、それぞれの燃料プロセッサの運転状態を検出して、特定の燃料プロセッサの故障の際に、故障の燃料プロセッサから水素を取り入れる供給モジュールへ正常稼働中の燃料プロセッサで生産された水素を選択的に供給するように、前記バイパスラインの管路を切り換える段階をさらに含むことを特徴とする請求項１１記載の共同住宅燃料電池システムの運営方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、共用施設に燃料プロセッサを設置し、各戸には燃料電池スタックを設置する共同住宅燃料電池システムに係り、より詳しくは、各戸別燃料電池スタックの運転負荷と連動して燃料プロセッサを運転すると同時に、余剰水素を共同施設物の使用のための燃料電池発電源として活用することを可能にして、エネルギー効率性を高められる共同住宅燃料電池システムおよびその運営方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、燃料電池システムは、ガス燃料を改質して得た水素または純粋な水素を空気中の酸素と反応させることにより、電気エネルギーを発生させる装置であって、化学的反応によって電気を発生させるという点において、バッテリーと同様であるが、反応物質である水素と酸素を外部から取り入れるので、バッテリーとは異なり充電が不要であるうえ、燃料が供給される限りは電気を発生させるという特徴がある。さらに、燃料電池システムは、燃料の燃焼反応なしでエネルギーを発生させるため、環境の面で有利であるという利点も持つ。
【０００３】
このような燃料電池システムの基本的な作動原理は、電解質が２つの電極の間に挟まれており、２つの電極を通して水素イオンと酸素イオンが移動しながら電流を発生させ、副産物として熱と水を生成する。この際、燃料電池の陰極を介して水素が供給され、陽極を介して酸素が供給されると、陰極を介して供給された水素分子は、触媒によってプロトンと電子に分けられる。このように分けられたプロトンと電子は、相異なる経路を介して陽極に到達するが、プロトンが燃料電池の中心にある電解質(Electrolyte)を介して流れるとともに電子が外部回路を介して移動しながら電流を流し、陽極では、さらにプロトンと電子が酸素と結合して水になる。
【０００４】
すなわち、燃料電池は、炭化水素系列、例えばメタノール、エタノール、天然ガスなどの物質内に含有されている水素と酸素の化学反応エネルギーを直接電気エネルギーに変換させる発電システムである。この燃料電池は、使用する電解質の種類によって、リン酸型燃料電池(ＰＡＦＣ、Phosphoric Acid Fuel Cell)、溶融炭酸塩型燃料電池(ＭＣＦＣ、Molten Carbonate Fuel Cell)、固体酸化物型燃料電池(ＳＯＦＣ、Solid Oxide Fuel Cell)、固体高分子型燃料電池(ＰＥＭＦＣ、Proton Exchange Membrane Fuel Cell)などに分類される。これらそれぞれの燃料電池は、基本的に同じ原理によって作動するが、使用燃料の種類、運転温度、触媒および電解質などが互いに異なる。
【０００５】
次に、従来の燃料電池システムの構成を簡略に考察する。従来の燃料電池システムは、天然ガスなどの燃料を改質して水素燃料に変換させる燃料プロセッサ(Fuel Processor)と、前記燃料プロセッサから水素を受け取り、この水素を酸素と化学的に反応させて電気および熱を発生する燃料電池スタック(Fuel cell stack)と、前記燃料電池スタックから化学的反応によって生産された直流電源を家庭で使用できるように交流電源に変換させる電力変換装置としてのインバータと、外部に捨てられる廃熱を回収して温水加熱などに熱エネルギーとして再び使用するための熱交換器とから構成される。
【０００６】
前記燃料プロセッサは、燃料タンク内の燃料を、燃料ポンプを介して取り入れ、燃料を改質して水素ガスを発生させ、その水素ガスを燃料電池スタックに供給する。
前記燃料電池スタックは、燃料電池の本体を形成するもので、前記燃料プロセッサからの水素ガスと酸素を電気化学的に反応させて電気エネルギーを生成する。ここで、前記燃料電池スタックは、膜−電極接合体(Membrane Electrode Assembly、ＭＥＡ)とその両面に密着する分離板からなる単位セルが数個〜数十個積層された構造を持つ。電極−電解質合成体は、電解質膜を挟んで陰極と陽極が取り付けられている構造を持つ。
【０００７】
このような燃料電池スタックは、前記分離板を介して、陰極には水素ガスが供給され、陽極には酸素が供給される。この過程において、陰極では水素ガスの酸化反応が起こり、陽極では酸素の還元反応が起こる。この際、生成される電子の移動によって電気を発生させ、熱と水分を付随的に発生させる。
前記インバータは、上述した燃料電池スタックで生成された直流電流を商用電源として使用できるように交流電流に変換させる装置である。
【０００８】
このように構成される燃料電池システムは、高いエネルギー効率性および環境親和性、エネルギー供給源の多元化、並びに水素経済性による移行準備などといった多様な利点があるので、近年、大規模発電設備より５ｋｗ以下の住宅用が集中的に開発され、稼動されている。
【０００９】
ところが、従来の燃料電池システムは、その発電容量が比較的単独住宅など向けに開発されることにより、アパートや店舗付きマンションなどの集合住宅、すなわち共同住宅に適用する場合には、全体的な発電容量の増加に伴う周辺技術の開発と安全上の多くの規制を解決しなければならないので適用が難しいという問題点があった。
【００１０】
すなわち、水素を生産する改質器（リフォーマー）である燃料プロセッサの場合は、安全および技術上の理由によりその容量を増加させるにおいて限界があり、全体システムの分散構成の際にそれによるシステムの効率的な運転効率に対する解決策が至急な当面課題である。
【００１１】
一方、本出願人は、かかる問題点を解決するために、共同住宅の共用施設に燃料プロセッサを設置し、各戸には前記燃料プロセッサから水素を取り入れて電気を生産する燃料電池スタックおよびインバータを個別に構成した共同住宅の燃料電池システムを提案したことがある。
【００１２】
ところが、本出願人により先出願された共同住宅燃料電池システムは、単一の燃料プロセッサを設置し、この燃料プロセッサで生成された水素を各戸に設置された燃料電池スタックに供給するように構成されることにより、システムの拡張に多くの制約があるうえ、その安全性の面でも脆弱であるという問題点があった。
【００１３】
すなわち、水素を生産する燃料プロセッサは、各戸から要求される水素の使用量に応じて最適の運転条件で稼動されなければならないが、現実的に燃料プロセッサにおける水素生産のための時間と運転条件を考慮するとき、各戸から要求される水素の使用量だけ正確に生産することができないので、余儀なく過剰生産を行わなければならないという欠点があり、世帯数が増加するほど水素の過剰生産による余剰水素量が増加してしまい、エネルギー効率を低下させる問題点をもたらす。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
そこで、本発明は、上述した問題点を解決するために創案されたもので、その目的とするところは、共同住宅を構成する各戸には水素を取り入れて電気を生産する燃料電池スタックおよびインバータを個別に構成し、共同住宅の共有施設には一定数の世帯（戸）とをモジュール構成し、生産された水素を供給する燃料プロセッサを少なくとも一つ設置し、それらを連係させた共同住宅燃料電池システムを提供することにある。
【００１５】
本発明の他の目的は、過剰生産された余剰水素を共用エネルギー源として活用し得るようにしてエネルギー利用効率を高められる共同住宅燃料電池システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
上記目的を達成するために、本発明に係る共同住宅用燃料電池システムは、共同住宅の各戸に設置され、水素から電気と熱を発生させる燃料電池スタックと、共用施設に設置され、燃料を改質して水素を生成し、多数戸を単一の供給モジュールにして配管を介して水素を供給する多数の燃料プロセッサと、前記燃料電池スタックの運転負荷状態を検出する検出器と電気的に接続され、受け取った検出情報に基づいて各燃料プロセッサの運転を制御する制御器と、前記燃料プロセッサで過剰生産された余剰水素を配管を介して取り入れて共用電気および熱エネルギーに転換する共用転換装置とを含んでなることを特徴とする。
【００１７】
本発明の好適な一特徴によれば、前記各燃料プロセッサは、当該供給モジュールを構成する各戸の燃料電池スタックに水素を供給するための主供給配管と、前記共用転換装置に選択的に余剰水素を供給するための弁付き補助供給配管とが接続される。
【００１８】
本発明の好適な他の特徴によれば、前記共用転換装置は、前記燃料プロセッサと弁付き配管で接続され、前記燃料プロセッサから選択的に水素を取り入れて電気と熱を生産する共用燃料電池スタックである。
【００１９】
本発明の好適な別の特徴によれば、前記共用転換装置は、前記燃料プロセッサと弁付き配管で接続され、前記燃料プロセッサから選択的に水素を取り入れて熱を生産する水素ボイラーである。
【００２０】
本発明の好適な別の特徴によれば、前記多数の燃料プロセッサは、いずれか一つの燃料プロセッサに故障が発生するとき、当該故障した燃料プロセッサから水素を取り入れる供給モジュールへ正常稼働中の燃料プロセッサから水素を選択的に供給するように、相互バイパスラインで配管接続される構成である。
本発明の好適な別の特徴によれば、前記バイパスラインは、補助供給配管に接続される。
【００２１】
本発明に係る共同住宅燃料電池システムの運営方法は、共同住宅の共用施設に設置される多数の燃料プロセッサから発生した水素を、個別に燃料電池スタックが設置された多数戸からなる単一の供給モジュールに供給する段階と、前記燃料電池スタックの運転負荷状態を検出する検出器から検出情報を受け取った制御器で、前記供給モジュールの燃料プロセッサの運転を制御する段階とを含んでなることを特徴とする。
【００２２】
本発明の好適な一特徴によれば、前記燃料プロセッサの運転を制御する段階において、前記制御器は多数の燃料プロセッサを相互選択的に接続し、それぞれの供給モジュールへ生産された水素を迂回させて供給するバイパスラインの管路を選択的に切り換える段階を含む。
【００２３】
本発明の好適な他の特徴によれば、前記バイパスラインの管路を切り換える段階で、前記制御器は、それぞれの燃料プロセッサの運転状態を検出し、特定の燃料プロセッサの故障の際に、故障発生の燃料プロセッサから水素を取り入れる供給モジュールへ正常稼働中の燃料プロセッサで生産された水素を選択的に供給するように、バイパスラインの管路を切り換える段階をさらに含む。
【００２４】
本発明の好適な別の特徴によれば、前記燃料プロセッサの運転を制御する段階で、前記制御器は、燃料電池スタックの運転状態を検出する検出器を介して水素の消費量を測定し、各燃料プロセッサで生産される水素生産量を測定して、配管で接続された共用転換装置へ過剰生産された余剰水素が供給されるように、選択的に管路制御を行う段階を含む。
【００２５】
本発明の好適な別の特徴によれば、前記余剰水素を供給される共用転換装置は、電気と熱を生産して共用施設用電源として提供するように配線される共用燃料電池スタックである。
【００２６】
本発明の好適な別の特徴によれば、前記余剰水素を供給される共用転換装置は、熱を生産して各戸内の暖房および温水を提供するように配管される水素ボイラーである。
【発明の効果】
【００２７】
上述したように構成されて作用する本発明の共同住宅燃料電池システムは、共同住宅の各戸に設置された燃料電池スタックの運転状態、すなわち水素所要量を検出し、これに基づいて燃料プロセッサの運転状態、すなわち水素生産量の制御が可能なので、システムの運営効率性を高めることができる。
【００２８】
また、過剰生産された余剰水素は、共用転換装置に供給されるようにして共用電気（街路灯やエレベータなど）および熱エネルギー（暖房、温水など）に転換して使用することができるため、その結果、余剰水素を蓄えるための大容量の高危険水素貯留タンクの設置を必要としないので、住居地域に設置する場合にその自由度を大幅高めることができる。
【００２９】
特に、共用施設に設置される多数の燃料プロセッサで生産された水素を、バイパスラインを介してそれぞれ連係して構成することにより、特定の燃料プロセッサに故障発生の際、正常稼働中の燃料プロセッサの水素生産量を増加させ、故障燃料プロセッサから水素を取り入れる供給モジュールに対して安定して供給されるようにし、結果的に一部の燃料プロセッサの故障に関係なく全体的なシステムの安全性を維持するので、システムに対する信頼性を高めることができるうえ、システムの故障による不便さを予め防止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３０】
本発明の特徴および利点は、添付図面に基づいて、以下の詳細な説明によってさらに明確になるであろう。
これに先立ち、本明細書および請求の範囲に使用された用語または単語は、一般的に辞書に示された意味に解釈されてはならず、発明者が自分の発明を最善の方法で説明するために用語の概念を適切に定義することができるという原則に基づき、本発明の技術的思想に符合する意味と概念で解釈されなければならない。
【００３１】
以下に添付図面を参照しながら、本発明に係る共同住宅用燃料電池システムの好適な実施例を詳細に説明する。
【００３２】
図１は、本発明に係る共同住宅燃料電池システムにおける燃料プロセッサの設置構成を説明するための模式図、図２は、本発明の燃料電池スタックの設置構成を説明するための模式図である。
【００３３】
図１および図２に示すように、本発明に係る燃料電池システム１は、主に、アパートや店舗付きマンションなどの共同住宅に適用されるものであり、機械室などの共用施設（図示せず）には、燃料を改質して水素を生産する燃料プロセッサ３が設置され、各戸内には水素を取り入れて電気および熱を生産する、インバータ（図示せず）を含む燃料電池スタック５が設置される構成である。
【００３４】
未説明の符号３ａは、燃料タンク（図示せず）から燃料を取り入れるための燃料配管を示し、符号３ｂは、改質された水素を燃料電池スタック５へ供給するための水素供給ラインを示す。
【００３５】
このような構成は、公知の共同住宅燃料電池システムの構成と大同小異である。但し、本発明では、前記高危険施設としての燃料プロセッサは、小容量にしかつ少なくとも一つ備え、前記各戸に個別に設置される燃料電池スタックは、多数戸を単一の供給モジュールにグループ化して、当該燃料プロセッサから水素の供給を受けるように構成される。
【００３６】
図３は、本発明に係る共同住宅燃料電池システムの構成を説明するための模式図、図４は、本発明に係る共同住宅燃料電池システムの制御構成を説明するための模式図である。
【００３７】
図３および図４に示すように、本発明に係る燃料電池システム１は、共同住宅の共用施設に設置され、燃料を改質して水素を生成するものであって、多数戸を単一の供給モジュールにして配管を介して水素を供給する少なくとも一つの燃料プロセッサ３と、共同住宅の各戸内に個別に設置され、前記燃料プロセッサ３から水素を取り入れて電気と熱を発生させる燃料電池スタック５と、前記燃料電池スタック５の運転状況に応じて燃料プロセッサ３の運転を制御する制御器１０と、前記燃料プロセッサ３で過剰生産された余剰水素を共用電気及び熱エネルギーに転換する共用転換装置２０とから構成される。
【００３８】
燃料プロセッサ３は、例えばＬＮＧ、ＬＰＧ、ガソリン、メタノールなどの公知の燃料を改質して水素に転換し、燃料電池に水素を供給する装置であって、脱硫反応、改質反応、水性ガスシフト反応、化学選択的反応を触媒単位で行う。
【００３９】
すなわち、燃料プロセッサは、常温で反応が行われる金属−ゼオライト脱硫吸着器(Desulfurizer)、吸熱反応が行われる水蒸気改質反応器(Steam Reformer)、発熱反応が行われる水性ガスシフト反応器(CO converter)、および化学選択的反応器(Preferential Oxidation Reactor)から構成される。このような構成の燃料プロセッサは、公知の技術によって行われてもよいので、詳細な説明は省略する。
【００４０】
一方、本発明における燃料プロセッサ３は、前述したように、アパートまたは複合建物などの共同住宅に適用されるもので、好ましくは共同住宅の機械室、電気室、ボイラー室などの共用施設に設置される構成である。このような燃料プロセッサ３は、水素を生産する高危険施設であって、水素の生産容量の増加に比例してその危険性が大きくなるという欠点がある。すなわち、燃料プロセッサの容量を高める場合、それに対する防爆設備などの付加的な安全設備を設置しなければならないので、経済的な負担が加重されるうえ、住居地域の場合には、各種の規制案により設置が不可能になる。
【００４１】
したがって、本発明では、前記燃料プロセッサ３を構成するにおいて、経済的でありながら安全性の面で管理が容易な小容量の燃料プロセッサ３を少なくとも一つ設置することを提案し、これらの各燃料プロセッサ３は、後述する燃料電池スタック５に水素を供給するための主供給配管ｐ１、および余剰水素を共用転換装置２０に供給するための補助供給配管ｐ２が接続され、特定の故障発生燃料プロセッサ３'を代替するためのバイパスラインｂｐで連係される構成によって前記故障発生燃料プロセッサ３'を正常稼動の燃料プロセッサ３で代替することにより、全体システムの安全性を保つ。
【００４２】
次に、このような構成の燃料プロセッサの容量選定について考察する。
（１）共同住宅の全水素供給容量
各戸別水素供給量は、各戸別電力使用量を考慮した燃料電池システム１の容量から決定される。通常、０．５〜５ｋｗの燃料電池システム１を世帯別に適用する。各戸別燃料電池システム１で必要とする水素供給量は、燃料電池システム１の電気変換効率（通常、２０〜５０％）から次の式（1）で計算できる。
【００４３】
水素供給量（ｍａｘ）＝Ｐ÷Ｅ×８６０÷２，７３２［Ｎｍ3／ｈｒ］      （1）
ここで、燃料電池容量（ｍａｘ）：Ｐ［ｋＷ］
電気容量の熱容量変換率：８６０ｋｃａｌ／ｋＷｈ
水素熱量：２，７３２ｋｃａｌ／Ｎｍ3
電気変換効率：Ｅ［％］
【００４４】
したがって、燃料プロセッサの構成および容量算定のための共同住宅の全水素供給容量は、下記の式（2）から算定できる。
Ｃapa、ＣｐH2、ＣｐH2[Ｎｍ3／ｈｒ]＝（水素供給量、ｍａｘ）×（全戸数）  （2）
【００４５】
（２）燃料プロセッサの容量選定および設置モジュール
共同住宅がアパートの場合は、団地を構成する棟の個数がＭ個であれば、燃料プロセッサの設置が可能な通常の機械室数はＭ個になるので、Ｍ個の燃料プロセッサを設置することが一般的である。しかし、商用化された燃料プロセッサの適正容量に応じて、前記燃料プロセッサは下記のように様々な形態で設置できる。
【００４６】
［例１］各棟に燃料プロセッサを設置：
構成する燃料プロセッサのモジュール数＝Ｍ
モジュール別燃料プロセッサの容量、ＣFP＝Ｉｎｔ［ＣｐH2／Ｍ］＋１
ここで、Ｉｎｔ［Ｘ］＝値Ｘの小数点を切り捨てた整数値
【００４７】
［例２］２つの棟別に１つの燃料プロセッサを設置：
構成する燃料プロセッサのモジュール数＝Ｍ／２
モジュール別燃料プロセッサの容量、ＣFP＝Ｉｎｔ［２ＣｐH2／Ｍ］＋１
【００４８】
すなわち、１ｋＷ容量の燃料電池システムを適用する団地の全戸数が６００世帯であり、棟数が２０個のとき、全水素供給容量（Ｃａｐａ）は約４２０Ｎｍ3／ｈｒと決定される。このように構成するモジュール数を定めた後、燃料プロセッサの容量を算定することもできるが、逆に、燃料プロセッサの容量を先ず定めた後、構成モジュールの数を算定することもできる。
【００４９】
このように構成される多数の燃料プロセッサ３は、燃料タンク（図示せず）内の燃料を取り入れて改質して水素ガスを生成し、この水素ガスを、後述する多数戸に設置された燃料電池スタックを単一の供給モジュールにして供給する。
【００５０】
燃料電池スタック５は、共同住宅を構成する各戸内に設置され、水素から電気と熱を発生させる装置であって、本発明においては、多数戸を単一の供給モジュールにグループ化して、対応する燃料プロセッサ３から水素の供給を受けるように構成される。
【００５１】
このような燃料電池スタック５は、前記燃料プロセッサ３から発生した水素と空気中の酸素とが反応して電気を発生させる装置であって、その構成要素は、反応を引き起こす触媒、水素イオンの伝達の役割を果たす電解質膜、および集電とガスの流れを担当する分離板から大きく構成される。
【００５２】
すなわち、前記燃料電池スタック５は、前記燃料プロセッサ３からの水素ガスと酸素を電気化学的に反応させて電気エネルギーを生産する機器であって、膜−電極接合体（ＭＥＡ）とその両面に密着する分離板とからなる、数個〜数十個の単位セルが積層された構造を持ち、前記膜−電極接合体は、電解質膜を挟んで陰極と陽極が取り付けられた構造を持つ。このような構造によって前記分離板を介して陰極と陽極にそれぞれ水素および酸素が供給される。この過程において、陰極では水素の酸化反応が起こり、陽極では酸素の還元反応が起こる。この際、生成される電子の移動により電気を発生させ、熱と水分を付随的に発生させる。ここで生産された電気は直流なので、一側に設けられたインバータ７を介して交流電流に変換されて商用電源として用いられる。
【００５３】
このような構成の燃料電池スタック５は、上述した燃料プロセッサ３と同様に、公知の技術によって実施されても構わないので、その詳細な説明は省略する。
但し、本発明では、共同住宅、例えば、アパートや店舗付きマンションなどの各戸に個別に設置される構成であり、多数戸を単一の供給モジュールにして当該燃料プロセッサ３から水素の供給を受けるように配管される。
【００５４】
制御器１０は、前記燃料電池スタック５、燃料プロセッサ３、共用転換装置２０およびバイパスラインｂｐを制御してシステムの全体的な効率性を安定に維持させ得るようにする一種のマイコンであって、多数の燃料電池スタックと燃料プロセッサに対して直接回路構成して制御を行うように構成するか、または各燃料電池スタックと燃料プロセッサに独立にコントローラを構成し、これらのコントローラを制御する主コントローラを構成する形態で提案できる。
【００５５】
このような制御器の構成は、公知の技術によって行われても構わないので、詳細な説明は省略する。本発明では、便宜上、一つの制御器１０を用いて多数の燃料電池スタック５および燃料プロセッサ３を回路接続して構成したシステムを基準として説明する。
【００５６】
制御器１０は、各燃料電池スタック５の一側に設置され、その運転状態を検出する検出器１１と電気的に接続される構成であり、前記検出器１１から検出された情報を受け取り、その情報に基づいて当該燃料プロセッサ３の運転を制御する。
【００５７】
すなわち、制御器１０は、燃料電池スタック５で電気および熱を生産するために消費する現在の水素量を検出した情報に基づき、燃料電池スタック５の属した供給モジュールａに水素を供給する燃料プロセッサ３の運転を制御し、その結果として、水素消費量と水素生産量とが一致するように調節する。
【００５８】
一方、制御器１０は、各燃料電池スタック５で必要とする水素所要量を前日または前年度当日の日付などを参考にして水素生産量を決定することができる。
すなわち、燃料プロセッサ３は、化学反応によって水素を生産するので、燃料電池スタック５で消費される水素を実時間で生産して供給することは現実的に不可能であり、これを解決するための容易な方法としては、水素を蓄えることが可能な水素貯留タンクを構成することがある。ところが、このような水素貯留タンクは、安全性の面で非常に危険なので、必ずしも防爆設備などを備えなければならないうえ、住居地域ではその設置において法的な規制が激しいから、代案にはなれない。
【００５９】
したがって、制御器１０は、前日または前年度の当日を基準とした水素生産量に基づいて適正量の水素を生産するように、多数の燃料プロセッサ３を制御することが好ましい。この際、前記水素生産量は、万が一に備えて、各戸から要求される電気および熱を十分生産できる程度にすべきである。
【００６０】
共用転換装置２０は、前記燃料プロセッサ３で過剰生産された余剰水素を取り入れて共用電気として使用し、または熱エネルギーに転換して各戸に供給する装置である。
すなわち、多数戸をグループ化した供給モジュールａを構成する各戸別燃料電池スタック５は、その運転負荷に応じて、当該燃料プロセッサ３の運転負荷率(Operation Ratio；以下「Ｒ」という)が決定されるが、この際、前記燃料プロセッサ３は、最大出力量対比の最小出力量が、仕様別に０〜１００％の範囲内で定められ、これをチューン・ダウン比（以下「ＴＤＲ」という）とするとき、前記燃料プロセッサ３の「ＴＤＲ」と「Ｒ」に応じて、燃料プロセッサ３から発生する水素は、全水素消耗量を充足させるか或いは余剰水素として残るように運営される。
【００６１】
したがって、本発明は、発生した余剰水素を別途の共用転換装置２０へ供給して共用電気および余剰電力販売用電気または熱エネルギーに転換して使用するようにすることにより、エネルギーの効率的な利用を可能にする。
【００６２】
一方、共用転換装置２０は、前記各燃料プロセッサ３と弁付き配管で接続され、前記燃料プロセッサから選択的に水素を取り入れて電気を生産する共用燃料電池スタック２１の形で提供できる。この際、共用燃料電池スタック２１は、生産された電気を街路灯やエレベータなどの共用施設物に供給し、或いは余剰電力に対しては電力販売会社へ再送電して販売することができる。
【００６３】
ここで、共用転換装置２０を構成する共用燃料電池スタック２１の容量は、下記の［例３］の方法によって選定できる。
［例３］
共同住宅をアパートと仮定し、団地内の全戸の燃料電池スタック５の容量が６００ｋＷであり、「ＴＤＲ」＝５０％の場合、最大余剰水素による共用燃料電池スタック２１の容量は、６００ｋＷ×５０％＝３００ｋＷ級に選定できる。
【００６４】
また、前記共用転換装置２０は、前記共用燃料電池スタック２１の他にも、水素ボイラー２３の形で提供できる。この際、前記水素ボイラー２３は、前記各燃料プロセッサ３と弁付配管で接続され、供給された水素を用いて熱を発生させる装置であって、各戸または管理事務室または老人亭などの共有施設物に暖房および温水を提供するように配管できる。
【００６５】
ここで、前記共用転換装置２０を構成する水素ボイラー２３の容量は、下記の［例４］の方法によって選定できる。
［例４］
共同住宅をアパートと仮定し、団地内における全戸の燃料電池スタック５０の容量が６００ｋＷであり、「ＴＤＲ」＝２５％の場合、最大余剰水素による水素オイラーの容量は、６０００ｋＷ×２５％＝１５０ｋＷ級に選定できる。
【００６６】
一方、前述した共用転換装置２０を構成する共用燃料電池スタック２１または水素ボイラー２３は、公知の技術によって実施されても構わないので、詳細な説明は省略する。
図５および図６は、共同住宅燃料電池システムの様々な運転方法を説明するための模式図である。
【００６７】
本発明では、前述したように、一つの燃料プロセッサ３は、多数戸から構成される供給モジュールａに水素を供給するための主供給配管ｐ１と共に、他の燃料プロセッサ３の故障に備えて、団地内の共用電力および熱の供給のために設置される共用転換装置２０の稼動に必要な余剰水素の活用のための別途の補助供給配管ｐ２を設置することにより、制御器１０の制御の下に他の世帯および共用転換装置２０へ水素を供給し得るように構成される。
【００６８】
本発明の共同住宅燃料電池システム１における燃料プロセッサ３の運転方法は、２つの運転方法に大別される。
【００６９】
第一に、図５に示した「Ｒ」＞「ＴＤＲ」における燃料プロセッサの運転方法を考察すると、特定の燃料プロセッサが担当する各戸別運転負荷の和（以下、特定のモジュール内の運転負荷を「Ｒ」という）が「ＴＤＲ」より大きいという信号を、燃料電池スタック５の運転負荷を検出する検出器１１から当該燃料プロセッサ３の制御装置に伝達する場合、特定の燃料プロセッサ３は、担当する特定の供給モジュールａ内の全水素必要量に合わせて運転負荷を「ＴＤＲ」以上の値に調節して水素を生産供給する。
但し、急な供給モジュールａ内の全戸の負荷上昇に伴う燃料プロセッサ３の運転負荷上昇速度を補完するために、次のように運営することができる。
【００７０】
（イ）燃料電池スタック５の運転状態を検出する検出器１１から、信号（ｄＰ／ｄｔ）より大きい燃料プロセッサ３の運転負荷上昇信号（例えば、１．０５〜２．０×（ｄＰ／ｄｔ））を燃料プロセッサ３に印加するようにする。
【００７１】
（ロ）上述した（イ）のような運転負荷上昇による余剰水素の発生の際に、制御器１０の制御の下に弁Ａを介して他の燃料プロセッサ３の担当世帯または共用転換装置２０の運転のための水素として供給される。
【００７２】
これとは逆に、「Ｒ」が「ＴＤＲ」よりは大きいが、（ｄＰ／ｄｔ）が急激に低くなって燃料プロセッサの応答速度が遅くなる場合には、共用転換装置２０に転換される。
【００７３】
第２に、図６に示した「Ｒ」＜「ＴＤＲ」における燃料プロセッサの運転方法を考察すると、特定のモジュール内の運転負荷「Ｒ」が燃料電池スタック５の運転負荷を検出する検出器１１から、「ＴＤＲ」より小さいという信号を当該燃料プロセッサ３へ伝達する場合、制御器１０は、直ちに「ＴＤＲ」モードへの運転信号を燃料プロセッサ３に伝達し、図示の如く、弁の転換によって余剰水素を共用転換装置２０へ供給する。
【００７４】
図７は、本発明に係る共同住宅燃料電池システムにおけるバイパスラインを説明するための模式図であって、多数の燃料プロセッサ３は、バイパスラインｂｐによって相互選択的に連係され、当該供給モジュールａおよび共用転換装置２０へ水素を供給するように配管接続される。
【００７５】
すなわち、前記バイパスラインｂｐは、一端がそれぞれの燃料プロセッサ３に接続される補助供給配管ｐ２に接続され、他端は多数の供給モジュールａに分岐接続される構成である。このようなバイパスラインｂｐは、多数の燃料プロセッサのうち１台または一部の燃料プロセッサ３'に故障が発生して、水素を生産することが不可能な場合に用いられるもので、正常稼働中の燃料プロセッサ３の水素生産量を増加させ、この水素を、バイパスラインｂｐを経由して、故障発生燃料プロセッサ３'に相当する供給モジュールａ'へ供給させる。
このような構成のバイパスラインｂｐは、上述した制御器１０の制御信号を印加される弁によって選択的に管路が切り換えられる構成である。
【００７６】
次に、上述したように構成される本発明に係る共同住宅燃料電池システムの作動について説明する。
共同住宅の機械室／電気室などの共用施設に所定の容量の燃料プロセッサ３が多数設置され、燃料を改質して水素を生産する。こうして生産された水素は、各戸に設置された燃料電池スタック５に供給され、世帯内の電気と熱を生成する。
【００７７】
ここで、前記多数の燃料プロセッサ３は、それぞれ多数戸を単一の供給モジュールａをして、生産された水素を供給するように配管接続される構成であり、過剰生産された余剰水素は共用転換装置２０へ供給されるか、または故障発生燃料プロセッサ３'を代替するようにバイパスラインｂｐで連係されて運営される構成である。
【００７８】
すなわち、このような構成の共同住宅燃料電池システム１は、制御器１０が燃料電池スタック５の運転状況を検出し、これに基づいて燃料プロセッサ３の水素生産量を制御する。この過程で発生する余剰水素は、補助供給配管ｐ２を介して共用転換装置２０へ供給されるようにして、共同電気および熱エネルギーとして活用する。
【００７９】
また、多数の燃料プロセッサ３のうち１台または一部の燃料プロセッサが故障を起こして水素生産が不可能な場合、正常稼働中の燃料プロセッサ３の水素生産量を高めるか、または過剰生産された余剰水素をバイパスラインｂｐを経由して前記故障発生燃料プロセッサ３'に相当する供給モジュールａ'に供給されるようにして、一部の燃料プロセッサの故障発生に関係なく全体システムの稼動維持が可能になる。
【００８０】
図８は、本発明に係る共同住宅燃料電池システムの運営方法を説明するための順序図である。
本発明の燃料電池システム１は、共同住宅の共用施設には多数の燃料プロセッサ３を配置し、それぞれの燃料プロセッサ３は、多数戸をグループ化した当該供給モジュールａを構成する各戸の燃料電池スタック５へ改質された水素を供給する（Ｓ１０）。
【００８１】
検出器１１は、燃料電池スタック５の運転負荷状態を検出し、それを制御器１０に提供し、制御器１０は、当該燃料電池スタック５の属した供給モジュールａに相当する燃料プロセッサ３の運転を制御する。すなわち、制御器１０は、供給モジュールａを構成する多数戸の燃料電池スタック５で必要とする水素所要量に基づいて、燃料プロセッサ３の運転を制御する（Ｓ２０）。
【００８２】
前述したような運転条件では、必須的に過剰生産される余剰水素が存在するが、このような余剰水素は、制御器１０の弁制御によって各燃料プロセッサ３の補助供給配管ｐ２を介して共用転換装置２０へ供給される（Ｓ３０）。
【００８３】
ここで、前記共用転換装置２０は、共用施設、例えば街路灯、エレベータ、管理事務所などに用いられる電気を生産する共用燃料電池スタックが使用されるか、または水素を取り入れて各戸および共用施設に暖房および温水を提供する水素ボイラー２３が使用される。
【００８４】
一方、多数の燃料プロセッサ３のうち、１台または一部の燃料プロセッサ３が故障を起こして、水素の生産および供給が不可能な場合、制御器１０は、バイパスラインｂｐを管路切換して、正常稼働中の燃料プロセッサ３で過剰生産される水素を、故障発生の燃料プロセッサ３'に相当する供給モジュールａ'へ水素を供給する（Ｓ４０）。
【００８５】
一方、本発明は、記載された実施例に限定されるものではなく、本発明の思想および範囲から逸脱することなく、様々な修正および変形を加えることが可能なのは、当該技術分野における通常の知識を有する者には自明なことである。したがって、それらの変形例または修正例についても本発明の特許請求の範囲に属するものと理解すべきである。
【図面の簡単な説明】
【００８６】
【図１】本発明に係る共同住宅燃料電池システムの構成を概略的に示す模式図である。
【図２】本発明に係る共同住宅燃料電池システムの構成を概略的に示す模式図である。
【図３】本発明に係る共同住宅燃料電池システムの構成を説明するための模式図である。
【図４】本発明に係る共同住宅燃料電池システムの制御構成を説明するための模式図である。
【図５】本発明に係る共同住宅燃料電池システムの運転方法を説明するための模式図である。
【図６】本発明に係る共同住宅燃料電池システムの運転方法を説明するための別の模式図である。
【図７】本発明に係る共同住宅燃料電池システムにおけるバイパスラインを説明するための模式図である。
【図８】本発明に係る共同住宅燃料電池システムの運営方法を説明するための順序図である。
【符号の説明】
【００８７】
１    燃料電池システム
３    燃料プロセッサ
３'    故障発生燃料プロセッサ
５    燃料電池スタック
１０    制御器
１１    検出器
２０    共用転換装置
２１    共用燃料電池スタック
２３    水素ボイラー
ａ    供給モジュール
ａ'    故障発生供給モジュール
ｂｐ    バイパスライン
ｐ１    主供給配管
ｐ２    補助供給配管
【図１】
2008108732.tif 000003
【図２】
2008108732.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
2008108732.tif 000007
【図６】
2008108732.tif 000008
【図７】
2008108732.tif 000009
【図８】
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