(57)【要約】【課題】外部から供給される電源が様々な要因によって遮断される場合でも、燃料プロセッサの安定的な運転を可能にして、各戸に設置された燃料電池スタックへの安定的なガス供給を保つことが可能な共同住宅燃料電池システムおよびその運営方法の提供。【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、多数戸を単一の供給モジュールにして、生成された水素を配管を介して供給する多数の燃料プロセッサ3と、この燃料プロセッサ3で過剰生産された余剰水素を配管を介して取り入れ、共用電気および熱エネルギーを発生させる共用転換装置20と、外部から燃料プロセッサに供給される主電源を検出し、選択的に制御信号を出力する制御器10と、この制御器10からの制御信号に基づいて選択的に電気を供給する補助電源供給装置40とを含んでいる。【選択図】図３
2008108733.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、多数戸を単一の供給モジュールにして、配管を介して生成された水素を供給する多数の燃料プロセッサと、
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を発生させる共用転換装置と、
外部から燃料プロセッサに供給される主電源を検出し、選択的に制御信号を出力する制御器と、
前記制御器からの制御信号に基づいて選択的に電気を供給する補助電源供給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へ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がそれぞれ接続されることを特徴とする請求項１に記載の共同住宅燃料電池システム。
【請求項３】
前記各燃料プロセッサは、外部の電力会社および補助電源供給装置から選択的に電源の供給を受けるように電気的に配線されることを特徴とする請求項１に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電気と熱を生産する共用燃料電池スタック、および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のうち少なくとも一つであることを特徴とする請求項１に記載の共同住宅燃料電池システム。
【請求項５】
前記制御器は、前記主電源の電圧状態を検出する電圧検出器を備えることを特徴とする請求項１に記載の共同住宅燃料電池システム。
【請求項６】
前記補助電源供給装置は、前記共用転換装置に接続され、生成された電源の供給を受けて蓄電する蓄電器であることを特徴とする請求項１に記載の共同住宅燃料電池システム。
【請求項７】
前記補助電源供給装置は、ディーゼルエンジンまたはガスエンジンを原動機とした発電機であることを特徴とする請求項１に記載の共同住宅燃料電池システム。
【請求項８】
共同住宅の共用施設に設置される燃料プロセッサが外部の主電源から電気の供給を受け、燃料を改質して水素を生産する段階と、
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水素を供給して各戸内の電気と熱を生産する段階と、
前記各燃料プロセッサで過剰生産された余剰水素を、共用電気と熱を生産する共用転換装置へ供給する段階と、
前記主電源の電圧検出情報を受け取った制御器が選択的に燃料プロセッサと電気的に接続され、電気を供給する補助電源供給装置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共同住宅燃料電池システムの運営方法。
【請求項９】
前記補助電源供給装置は、
前記燃料プロセッサに接続され、生成された電源の供給を受けて蓄電する蓄電器、およびディーゼルエンジン又はガスエンジンを原動機とした発電機からなることを特徴とする請求項８に記載の共同住宅燃料電池システムの運営方法。
【請求項１０】
前記補助電源供給装置の運転を制御する段階で、
前記制御器は、電圧検出器から主電源の断電状態情報が印加されると、前記補助電源供給装置を運転させ、燃料プロセッサに電気が供給されるように電気制御を行うことを特徴とする請求項８に記載の共同住宅燃料電池システムの運営方法。
【請求項１１】
前記共用転換装置は、電気と熱を生産して共用施設用電気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および熱を生産して、各戸内に温風および温水を提供するように配管される水素ボイラーのうち少なくとも一つからなり、これらの共用転換装置は、制御器によって制御されることを特徴とする請求項８に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、燃料を改質して水素を生成する燃料プロセッサを共用施設に設置し、各戸には水素を用いて電気と熱を生産する燃料電池スタックを個別に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、外部から供給される電力の断電の際にも燃料プロセッサへの安定的な電力供給が維持できるようにする、停電に備えた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、膜ー電極接合体(Membrane Electrode Assembly、ＭＥＡ)とその両面に密着するセパレータ（分離板Separator）からなる単位セルが数個〜数十個積層された構造を持つ。膜ー電極接合体は、電解質膜を挟んで陽極と陰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、並びに水素経済への移行準備などといった多様な利点がある。このため、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。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【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。
すなわち、水素を生産する改質器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のに限界があり、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に対する解決策は当面の課題である。
【００１０】
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燃料電池システムを提案したことがある。
【００１１】
すなわち、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、外部の電力会社から運転に必要な最小限の電力を取り入れて燃料プロセッサを稼動させ、この燃料プロセッサで改質された水素を、燃料電池スタックを介して受け取って電気と熱を生産する構成である。
【００１２】
このような構成において、前記燃料プロセッサを駆動させるための電気を、韓国電力公司などのような外部の電力会社から取り入れず、システム内で電機を発生し、それを受け取る閉回路システムを構成する場合には、現実的に各種付帯施設の追加設備および維持による莫大な所要費用が加わるうえ、エネルギーの効率性の面でも低い。そのため、前記燃料プロセッサを駆動させるための最小の駆動電源は外部の電力会社から取り入れるように構成される。
【００１３】
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、共用施設に設置される燃料プロセッサを稼動させるための電力を韓国電力公司（ＫＥＰＣＯ）のような外部の電極供給会社から取り入れて稼動する構成なので、停電発生の際には、燃料プロセッサの稼動が中断することにより、各燃料電池スタックの電気および熱の生産が不可能になるという問題点があった。
【００１４】
そこで、本発明は、上述した問題点を解決するために考案されたもので、その目的とするところは、外部から供給される電源が様々な要因によって遮断される場合にも、燃料プロセッサの安定的な運転を可能にして、各戸に設置された燃料電池スタックへの安定なガス供給を保つことが可能な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】
【００１５】
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、多数戸を単一の供給モジュールにして、配管を介して生成された水素を供給する多数の燃料プロセッサと、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、共用電気および熱エネルギーを発生させる共用転換装置と、外部から燃料プロセッサに供給される主電源を検出し、選択的に制御信号を出力する制御器と、前記制御器からの制御信号に基づいて選択的に電気を供給する補助電源供給装置とを含むことを特徴とする。
【００１６】
本発明の一特徴によれば、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へ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に弁付き補助供給配管とにそれぞれ接続される。
【００１７】
本発明の他の特徴によれば、前記各燃料プロセッサは、外部の電力会社および補助電源供給装置から選択的に電源を取り入れるように電気的に配線される。
【００１８】
本発明の別の特徴によれば、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電気と熱を生産する共用燃料電池スタック、また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の少なくとも一つである。
【００１９】
本発明の別の特徴によれば、前記制御器は、前記主電源の電圧状態を検出する電圧検出器を備える。
【００２０】
本発明の別の特徴によれば、前記補助電源供給装置は、前記共用転換装置に接続され、前記共用転換装置から電源の供給を受けて蓄電する蓄電器である。
【００２１】
本発明の別の特徴によれば、前記補助電源供給装置は、ディーゼルエンジンまたはガスエンジンを原動機とした発電機である。
【００２２】
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燃料プロセッサが外部の主電源から電気の供給を受け、燃料を改質して水素を生産する段階と、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へ水素を供給して各戸内の電気と熱を生産する段階と、前記各燃料プロセッサで過剰生産された余剰水素を、共用電気と熱を生産する共用転換装置へ供給する段階と、前記主電源の電圧検出情報を受け取った制御器が選択的に燃料プロセッサと電気的に接続され、電気を供給する補助電源供給装置の運転を制御する段階とからなることを特徴とする。
【００２３】
本発明の一特徴によれば、前記補助電源供給装置は、前記燃料プロセッサに接続され、前記燃料プロセッサから電源の供給を受けて蓄電する蓄電器、ディーゼルエンジン又はガスエンジンを原動機とした発電機の少なくとも一つから構成される。
【００２４】
本発明の別の特徴によれば、前記補助電源供給装置の運転を制御する段階で、前記制御器は、電圧検出器から主電源の断電状態情報が印加されると、前記補助電源供給装置を運転させ、燃料プロセッサに電気が供給されるように電気制御を行う。
【００２５】
本発明の別の特徴によれば、前記共用転換装置は、電気と熱を生産して共用施設用電気として供給するように配線される共用燃料電池スタック、および熱を生産して各戸に温風および温水を供給するように配管される水素ボイラーのうち少なくとも一つから構成され、これらの共用転換装置は、制御器によって制御される。
本発明の別の特徴によれば、前記余剰水素を供給される共用転換装置は、熱を生産して各戸に温風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】
【００２６】
上述したように構成されて作用される本発明の共同住宅燃料電池システムは、燃料プロセッサと燃料電池スタックを分散設置してシステムの安全性を高めることができ、特に、燃料プロセッサに供給される外部の電源が断電の際または停電発生の際にも制御器の制御を受ける補助電源共有装置を介して前記燃料プロセッサに持続的に電気が供給されるようにすることにより、停電による燃料プロセッサの稼動中断に伴う不便さを予め防止し、システムの運転安定性を保持することができる有用な効果を提供する。
【００２７】
また、前記各燃料プロセッサで過剰生産された余剰水素は、共用転換装置を介して共用電気（街路灯、エレベータなど）および熱エネルギー（温風、温水など）に転換されて使用できるうえ、補助電源供給装置を構成する蓄電器に供給されるようにすることにより、エネルギー効率性を高めると同時に、余剰水素を蓄えるための、大容量の危険な水素貯留タンクの設置を必要とせず、その結果、共同住宅への適用の自由度を大幅に高めることができるという利点がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
本発明の特徴および利点は、添付図面に基づいた以降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、通常的かつ辞典的な意味で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。
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。
【００２９】
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。
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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、前記危険な施設としての燃料プロセッサは、小容量にし且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。
【００３２】
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。
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、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、前記制御器１０からの制御信号に基づいて選択的に燃料プロセッサ３に電源を供給する補助電源供給装置４０とから構成される。
【００３３】
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。
【００３４】
すなわち、燃料プロセッサは、常温で反応が行われる金属−ゼオライト脱硫器、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。
【００３５】
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、アパートまたは店舗つきマンション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、水素を生産する相当、危険な施設であって、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、経済的な負担が加わるうえ、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。
【００３６】
したがって、本発明では、前記燃料プロセッサ３を構成するのに、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、これらそれぞれの燃料プロセッサ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、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が接続される。また、前記燃料プロセッサ３は、主電源ｍｐを介して外部の電力会社から電源の供給を受けるように構成され、この他にも、前記主電源ｍｐの停電の際に後述の補助電源供給装置４０から電力の供給を受けられるように配線される。
【００３７】
一方、前記多数の燃料プロセッサは、図示してはいないが、相互に選択的に接続できるように配管接続されることが好ましい。
次に、このような構成の燃料プロセッサの容量選択については以下のとおりである。
（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を各戸別に適用する。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［数式１］で計算できる。
［数式１］
水素供給量（ｍａｘ）＝Ｐ÷Ｅ×８６０÷２，７３２［Ｎｍ３／ｈｒ］
Ｗｈｅｒｅ：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［Lower Heating Value］
電気変換効率：Ｅ［％］
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［数式２］から算定できる。
［数式２］
Ｃａｐａ、ＣｐＨ２、ＣｐＨ２[Ｎｍ３／ｈｒ]＝（水素供給量、ｍａｘ）×（全戸数）
【００３８】
（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が、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。
［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
［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
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戸であり、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。
【００３９】
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、当該供給モジュールａ、すなわち供給モジュールａを構成する多数戸に設置された燃料電池スタック５に供給する。
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。
【００４０】
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(catalyst)、水素イオンの伝達の役割を果たす電解質膜(Electrolyte Membrane)、および集電とガスの流れを担当するバイポーラ板(Bipolar plate)から大きく構成される。
【００４１】
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、膜ー電極接合体(Membrane Electrode Assembly、ＭＥＡ)とその両面に密着するバイポーラ板とからなる数個〜数十個の単位セルが積層された構造を持ち、前記膜ー電極接合体は、電解質膜を挟んで陽極と陰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陽極と陰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、前記陽極では水素の酸化反応が起こり、前記陰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。
【００４２】
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、アパートまたは店舗付きマンションなどの共同住宅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から水素の供給を受けるように配管される。
【００４３】
制御器１０は、上述した燃料電池スタック５、燃料プロセッサ３、共用転換装置２０、および補助電源供給装置４０に制御信号を出力してシステムの運転安全性を保つための１種のマイクロコンピュータであって、単一の制御器を用いて、システムを構成するいろいろの電装品を制御する形態、またはそれぞれの電装品、すなわち多数の燃料電池スタックおよび燃料プロセッサ、そして共用転換装置２０および補助電源供給装置４０に独立にコントローラ（図示せず）を構成し、これらのコントローラを制御する形態にもできる。このような制御器１０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。本発明では、便宜上、様々な電装品と回路的に接続されて制御信号を印加する制御器を１つ備える場合を基準として説明する。
【００４４】
前記の制御器１０は、図示してはいないが、燃料プロセッサ３と燃料電池スタック５の運転状態を検出するための多数の検出器を備え、特徴的には外部から燃料プロセッサ３に供給される主電源ｍｐの電圧状態を検出する電圧検出器１５を含む構成である。
【００４５】
ここで、前記電圧検出器１５は、主電源ｍｐの電圧状態を実時間モニタリングして、出力端に接続された制御器１０へ検出情報を印加し、前記制御器１０は、主電源ｍｐの電圧情報に基づいて停電有無を判別し、停電と判別される場合には、後述する補助電源供給装置４０を稼動させて燃料プロセッサ３に電気が供給できるように制御する。
【００４６】
このような制御器１０は、図示してはいないが、各戸に設置された燃料電池スタック５の運転状況に応じて燃料プロセッサ３の運転を制御して適正量の水素を生産するように制御すると同時に、過剰生産された余剰水素の発生の際には共用転換装置２０へ供給して共用電力を生産するように制御することが好ましい。
【００４７】
共用転換装置２０は、前記燃料プロセッサ３から過剰生産された余剰水素の供給を受け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Ｔｕｒｎ−Ｄｏｗｎ−Ｒａｔｉｏ（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、前記燃料プロセッサ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。
【００４８】
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ことを提案する。
【００４９】
一方、前記共用転換装置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、前記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、或いは後述の補助電源供給装置４０を構成する蓄電器４１に送電して蓄電させることができる、また、図示してはいないが、余剰電力に対しては電力会社へ再送電して販売することができる。
【００５０】
ここで、前記共用転換装置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。
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ホール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。
【００５１】
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、団地内の、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。
一方、前述した前記共用転換装置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。
補助電源供給装置４０は、上述した制御器１０からの制御信号に基づいて選択的に前記燃料プロセッサ３に電気を供給し得るように回路構成され、電荷を蓄積する蓄電器４１、或いはディーゼルエンジンまたはガスエンジンを原動機として電気を生産する発電機４３が使用できる。
【００５２】
ここで、前記蓄電器４１は、充電・放電反応を繰り返し行うことが可能な蓄電池を含む構成であり、この際の蓄電池としては、鉛蓄電池、アルカリ蓄電池の他にも、非水溶液（有機電解質または固体電解質）を用いた２次電池が使用できる。そして、前記発電機４３は、機械的エネルギーを電気的エネルギーに変換させる装置であって、ディーゼルエンジンまたはガスエンジンなどを原動機とした交流発電機が使用できる。
【００５３】
このように補助電源供給装置４０を構成する蓄電器４１および発電機４３は、選択構成または複合構成され、その運転状態を管理者または作業者が認識し得るように警光灯またはサイレンなどからなる表示手段が付設できる。これらの蓄電器４１と発電機４３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。
【００５４】
一方、前記補助電源供給装置４０を構成する蓄電器４１および発電機４３の容量は、次の［例５］の如き計算式によって選定できる。
［例５］
共同住宅をアパートと仮定し、
戸別最低必要起電力＝Ｐｉ［ｋＷ］
団地内の戸数＝Ｎ戸
団地内の最低必要起電力＝Ｐｔｏｔａｌ［ｋＷ］÷ｐｉ×Ｎ
団地内の最低必要水素供給量＝Ｐｔｏｔａｌ［ｋＷ］÷Ｅ×８６０÷２７３２＝Ｈ２ｕｐｓ［Ｎｍ３／ｈｒ］
ここで、８６０Ｋｃａｌ／ｋｃａｌ：電気容量の熱容量変換率
２７３２ｋｃａｌ／Ｎｍ３［Lower Heating Value］：水素熱量
Ｅ［％］：電気変換効率
モジュール別燃料プロセッサの容量＝ＣＦＰ［Ｎｍ３／ｈｒ］
停電の際に稼動する燃料プロセッサモジュールの数Ｍｕｐｓ＝Ｉｎｔ[Ｈ２ｕｐｓ／ＣＦＰ]＋１ここで、Ｉｎｔ［ｘ］＝値ｘの小数点を切り捨てた整数値
１個の燃料プロセッサの必要電力：ＰＦＰｉ［ｋＷ／（Ｎｍ３／ｈｒ）］：
停電時の全体燃料プロセッサの稼動電力：ＰＦＰ＝Ｍｕｐｓ×ＣＦＰ×ＰＦｐｉ
バッテリーまたは蓄電池の最小容量：ＣＰ＝ＰＦＰα
ここで、α＝補助電源供給装置の発電機の初期稼動のための必要電力［ｋＷ］
【００５５】
次に、前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を説明する。
共同住宅の機械室／電気室などの共用施設に、所定のガス生産容量を持つ燃料プロセッサ３が多数設置される。この燃料プロセッサは、燃料を改質して水素を生産する。生産された水素は、配管で接続された各戸に設置された燃料電池スタック５へ供給される。この燃料電池スタックは、水素を用いて戸内の電気と熱を生産する。
【００５６】
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、改質された生産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、配管で接続された共用転換装置２０へ供給されて共用電気と熱エネルギーに転換使用されるか、または補助電源供給装置４０を構成する蓄電器の充電電源として使用される。
【００５７】
一方、燃料プロセッサ３の主電源ｍｐ、すなわち外部の電力会社などから供給される電源が断電または停電の場合、前記制御器１０は、前記主電源ｍｐが電圧を検出する電圧検出器１５を介して停電有無状態を実時間モニタリングし、停電と判明される場合、前記補助電源供給装置４０を稼動させて燃料プロセッサ３に電源が供給されるようにする。よって、前記燃料プロセッサ３は、主電源ｍｐの断電の際にも安定的な水素の生産が可能である。その結果、前記燃料プロセッサ３に供給される外部の電力、すなわち主電源ｍｐの停電に関係なく全体的なシステムの稼動維持が可能である。
【００５８】
また、前記主電源ｍｐの断電状態が解除される場合、前記電圧検出器１５は、これを検出して制御器１０へ検出情報を印加し、前記制御器１０は、補助電源供給装置４０から燃料プロセッサ３へ供給される電源を遮断すると同時に、前記燃料プロセッサ３が主電源ｍｐから電源の供給を受けるように電気を制御する。
【００５９】
次に、前記のように構成される共同住宅燃料電池システムの好適な運営方法を説明する。
本発明の燃料電池システム１は、共同住宅の共用施設に設置された多数の燃料プロセッサ３が主電源ｍｐから電気の供給を受け、燃料を改質して水素を生産する。
前記燃料プロセッサ３で生産された水素は、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に配管を介して供給され、前記燃料電池スタック５は、供給された水素から戸内の電気と熱を生産する。
【００６０】
前記各燃料プロセッサ３で過剰生産された余剰水素は、共用電気と熱を生産する共用転換装置２０へ供給される。すなわち、前記共用転換装置２０に供給された水素は、電気と熱を生産して共用施設用電気として供給するように配線される共用燃料電池スタック２１、または熱を生産して各戸内の暖房および温水を供給するように配管される水素ボイラー２３によって共用電気と熱エネルギーとして活用される。
【００６１】
一方、前記主電源ｍｐは電圧検出器１５によって電圧状態が実時間モニタリングされ、検出された情報は制御器１０に印加される。そして、前記制御器１０は、主電源ｍｐの停電発生の際に、蓄電器４１および発電機４３からなる補助電源供給装置４０を稼動させて前記燃料プロセッサ３に電気を供給し、停電に関係なく燃料プロセッサ３が持続的に燃料を改質して水素生産を可能にする。
【００６２】
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】
【００６３】
【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。
【符号の説明】
【００６４】
１    燃料電池システム
３    燃料プロセッサ
５    燃料電池スタック
１０    制御器
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
４０    補助電源供給装置
【図１】
2008108733.tif 000003
【図２】
2008108733.tif 000004
【図３】
2008108733.tif 000005
【図４】
2008108733.tif 000006