(57)【要約】【課題】燃料電池における余剰電力を的確に処理できる燃料電池システムを、比較的簡単な構成にて提供する。【解決手段】燃料電池システムは、商用電力系統６７に連系して運転される燃料電池６を備えたもので、電気ヒータ５３と、この電気ヒータ５３への通電を制御するヒータ制御回路５４を備え、このヒータ制御回路５４は、燃料電池６において発生する余剰電力を電気ヒータ５３にて消費する。ヒータ制御回路５４は、系統６７への逆潮流が生じる場合、電気ヒータ５３に通電する。ヒータ制御回路５４は、システムに接続される負荷６８が低下した場合、電気ヒータ５３に通電する。【選択図】      図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電力系統に連系して運転される燃料電池を備えた燃料電池システムにおいて、
内部負荷と、該内部負荷への通電を制御する制御装置を備え、
該制御装置は、前記燃料電池において発生する余剰電力を前記内部負荷にて消費することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記制御装置は、前記系統への逆潮流が生じる場合、前記内部負荷に通電することを特徴とする請求項１の燃料電池システム。
【請求項３】
前記制御装置は、システムに接続される負荷が低下した場合、前記内部負荷に通電することを特徴とする請求項１又は請求項２の燃料電池システム。
【請求項４】
前記内部負荷は、システム内の熱回収水経路、又は、熱回収水を貯溜する貯湯タンクを加熱する電気ヒータであることを特徴とする請求項１、請求項２又は請求項３の燃料電池システム。
【請求項５】
前記内部負荷を、前記燃料電池の出力を調整する電力変換装置内に設けたことを特徴とする請求項１、請求項２又は請求項３の燃料電池システム。
【請求項６】
前記制御装置は、前記余剰電力量に応じて前記内部負荷への通電量を制御することを特徴とする請求項１、請求項２、請求項３、請求項４又は請求項５の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池を電力系統に連系して運転するシステムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、天然ガス、都市ガス、メタノール、ＬＰＧ、ブタンなどの燃料ガスを水素に改質する改質器と、一酸化炭素を変成するＣＯ変成器と、一酸化炭素を除去するＣＯ除去器（以下、これら改質器と、ＣＯ変成器と、ＣＯ除去器とを合わせて改質装置と称す。）と、水素によって発電する燃料電池などを備えた燃料電池発電システムが提案されている。
【０００３】
特に、家庭用の小型電源としては固体高分子形の燃料電池システムが用いられており、係る燃料電池システムは、改質装置と、燃料電池と、制御装置と、水タンクと、各種ポンプ類と、発電時に生じる廃熱を回収して温水とする熱交換器と、燃料電池で発電した電力を調整して商用交流に変換する電力変換装置とを備えたＰＥＦＣ装置と、上記熱交換器にて燃料電池で発生した熱を回収した温水（熱回収水）を貯留する貯湯タンクなどを備えた熱回収装置とにより構成される。そして、固体高分子電解質膜の両面に設けたアノードとカソードに前述の水素ガスと空気を供給し、空気中の酸素（酸化剤ガス）と反応させて電力を発生させるものであった。
【０００４】
このような燃料電池システムは、商用電力系統に系統連系されて使用され、燃料電池により発電した電力を単独で、若しくは商用電力と共に使用できるように構成される。例えば家庭用で使用された場合には、家人が在宅中か否か、或いは、活動中か就寝中か否かなどによって電力消費量（負荷）は大きく変動するが、そのような場合には燃料電池の発電量より負荷が大きくなった時点で商用電力がその分を補う構成とされていた（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
【特許文献１】
特開２００１−６８１２５号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
一方、電力消費量（負荷）が燃料電池の発電量よりも小さくなり、余剰電力が生じると、燃料電池で発電された電力が商用電力系統に流れ込む逆潮流現象が発生するため好ましくない。これを防止するためには燃料電池における発電量を係る負荷の変動に応じて調整することが考えられる。しかしながら、発電は水素と酸素の化学反応によって生じるため、発電量の調整は負荷変動に対してどうしても遅れが生じる。また、余剰水素を消費する改質装置などにおいて熱バランスが崩れると云う問題も生じる。
【０００７】
そこで、本発明は、従来の技術的課題を解決するために成されたものであり、燃料電池における余剰電力を的確に処理できる燃料電池システムを、比較的簡単な構成にて提供するものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
即ち、本発明の燃料電池システムは、電力系統に連系して運転されるもので、内部負荷と、この内部負荷への通電を制御する制御装置を備え、この制御装置は、燃料電池において発生する余剰電力を内部負荷にて消費することを特徴とする。
【０００９】
請求項２の発明の燃料電池システムは、上記において制御装置は、系統への逆潮流が生じる場合、内部負荷に通電することを特徴とする。
【００１０】
請求項３の発明の燃料電池システムは、上記各発明において制御装置は、システムに接続される負荷が低下した場合、内部負荷に通電することを特徴とする。
【００１１】
本発明によれば、例えばシステムに接続される負荷が急激に変動し、燃料電池の発電制御が追従できずに系統への逆潮流が生じる場合に、燃料電池での余剰電力を内部負荷で消費して係る逆潮流の発生を回避できるようになる。また、燃料電池の発電制御範囲より負荷が減少した場合などにも、当該内部負荷にて余剰電力を消費できるので、燃料電池の発電を停止すること無く運転を継続し、且つ、システム内での熱バランスも維持することができるようになる。そして、これら逆潮流の防止と低負荷時の対処を同一の内部負荷にて実現できるので、生産コストの削減も図ることができるようになるものである。
【００１２】
請求項４の発明の燃料電池システムは、上記各発明において内部負荷は、システム内の熱回収水経路、又は、熱回収水を貯溜する貯湯タンクを加熱する電気ヒータであることを特徴とする。
【００１３】
請求項４の発明によれば、上記各発明に加えて内部負荷は、システム内の熱回収水経路、又は、熱回収水を貯溜する貯湯タンクを加熱する電気ヒータであるので、余剰電力を有効に利用することができるようになるものである。
【００１４】
請求項５の発明の燃料電池システムは、請求項１乃至請求項３の発明において内部負荷を、燃料電池の出力を調整する電力変換装置内に設けたことを特徴とする。
【００１５】
請求項５の発明によれば、請求項１乃至請求項３の発明に加えて内部負荷を、燃料電池の出力を調整する電力変換装置内に設けたので、燃料電池の出力調整と上記逆潮流の防止及び低負荷時の対処を電力変換装置内に集約することができるようになり、生産性が向上するものである。
【００１６】
請求項６の発明の燃料電池システムは、上記各発明において制御装置は、余剰電力量に応じて内部負荷への通電量を制御することを特徴とする。
【００１７】
請求項６の発明によれば、上記各発明に加えて制御装置は、余剰電力量に応じて内部負荷への通電量を制御するので、燃料電池で生じる余剰電力を内部負荷にて的確且つ効率的に解消することが可能となるものである。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づいて本発明の実施形態を詳述する。実施例における燃料電池システムＳは、固体高分子形燃料電池（ポリマ・エレクトロライト・フューエル・セル：ＰＥＦＣ装置）を用いた発電システムであり、例えば、図示しない家屋の軒下などに設置されるものである。
【００１９】
この燃料電池システムＳは、上記ＰＥＦＣ装置の他に燃料電池システムＳの発電において生じる熱を有効的に利用するコージェネレーションシステムの形態を採用しているため、熱回収装置として貯湯タンク７を有している。
【００２０】
図１を参照して実施例の固体高分子形の燃料電池システムＳについて説明する。この燃料電池システムＳでは、天然ガス、都市ガス、メタノール、ＬＰＧ、ブタン等の燃料の供給源である燃料供給源１と、燃料ガスから硫黄成分を除去する脱硫器２と、改質装置１３と、固体高分子形の燃料電池６とを備える。改質装置１３は、燃料ガスから水素、二酸化炭素及び一酸化炭素を含む改質ガスを生成する改質器３と、この改質器３からの改質ガスに含まれる一酸化炭素を二酸化炭素に変成するＣＯ変成器４と、このＣＯ変成器４からの未変性の一酸化炭素を除去するＣＯ除去器５とを備えている。
【００２１】
燃料電池６は、改質装置１３のＣＯ除去器５からの一酸化炭素が除去された後の水素（燃料ガス）と空気中に含まれる酸素（酸化剤ガス）とを反応させて電力を発生させるものであり、この燃料電池６は、燃料極（アノード）６ａと、空気極（カソード）６ｂと、冷却部６ｃとを備えている。
【００２２】
前記燃料供給源１からはガス管１７が延出され、このガス管１７には電磁開閉弁１８及び昇圧ポンプ１９が設けられ、ガス管１７は脱硫器２に接続される。脱硫器２はガス管２２を介して改質装置１３の改質器３に接続される。そして、この改質器３は、図示しないガス管により、ＣＯ変性器４、ＣＯ除去器５と順次接続されている。この改質装置１３には、ポンプ４０が設けられた配管４１を介して水タンク２１が接続される。
【００２３】
ここで、水タンク２１は、水道管を通じて市水が供給された水処理装置８により、純水とされた水を貯留するものである。尚、水処理装置８にて純水とされた水は、この他にも、ポンプ４４により各配管９、１０を介して水タンク１１及び１２に搬送される。また、水道管４７を通じて市水は、貯湯タンク７にも供給されているものとする。
【００２４】
そして、ＣＯ除去器５は、ガス管２３を介して水タンク１１に接続され、この水タンク１１は、配管２４を介して燃料電池６の燃料極６ａに接続される。この燃料極６ａは、配管３７を介して改質装置１３に接続されていると共に、配管３７には、ドレン水配管３８が接続されている。そして、水タンク１１は、配管２５を介して燃料電池６の冷却部６ｃに接続され、冷却部６ｃは、熱回収用熱交換器２７が介設された配管２６を介して再び水タンク１１に接続されている。
【００２５】
他方、上記水タンク１２は、配管３１を介して空気ポンプ（空気供給源）３０と接続され、配管３２を介して燃料電池６の空気極６ｂに接続される。この空気極６ｂは、配管３４を介して熱回収用熱交換器３３に接続される。この熱回収用熱交換器３３には、排気ダクト３５及びドレン水配管３６が接続される。
【００２６】
また、上記貯湯タンク７は、ポンプ４５により温水配管４２を介して上述した熱回収用熱交換器２７と接続されていると共に、昇圧ポンプ４６により温水配管４３を介して上述した熱回収用熱交換器３３と接続されている。尚、５０は燃料電池６の発電を制御するコントローラ（制御手段）であり、上記各ポンプや弁などのシステム内機器を制御するものである。
【００２７】
以上の構成により、制御装置５０が燃料電池システムＳの運転を開始すると、燃料供給源１から燃料ガスが、電磁開閉弁１８を介して昇圧ポンプ１９に入り、当該昇圧ポンプ１９にて昇圧されて、脱硫器２に供給される。ここで燃料ガスから硫黄成分が除去される。この脱硫器２に、例えば活性炭等の吸着反応を利用した触媒を使用した場合、常温で、硫黄成分を除去することができる。この脱硫器２を経た燃料ガスは、ガス管２２を介して改質装置１３の改質器３に供給される。
【００２８】
この改質器３では、水素、二酸化炭素及び一酸化炭素を含む改質ガスが生成される。この改質器３を経たガスは、ＣＯ変成器４に供給され、ここでは改質ガスに含まれる一酸化炭素が二酸化炭素に変性される。このＣＯ変成器４を経たガスは、ＣＯ除去器５に供給され、ここではＣＯ変成器４を経たガス中の未変性の一酸化炭素が除去される。
【００２９】
このＣＯ除去器５を経た当該一酸化炭素が除去された後の水素が、ガス管２３、水タンク１１及びガス管２４を介して固体高分子形の燃料電池６の燃料極６ａに供給される。他方、空気極６ｂには、空気ポンプ３０から空気が供給された水タンク１２より空気が供給される。これにより、燃料極６ａに供給された水素と、空気極６ｂに供給された空気中に含まれる酸素とが反応し、電力が発生する。
【００３０】
尚、上記改質器３は、内部に図示しないバーナを有し、ここには配管３７を介して、燃料極６ａを経た未反応水素がオフガスとして供給される。このとき、化学反応により生じ、燃料極６ａに一部残存、若しくは、移動した水及び改質装置１３のバーナにおいて生じたドレン水は、ドレン水配管３８により外部に排出される。
【００３１】
また、空気極６ｂから配管３４に導出された空気は、燃料電池６の発熱反応によって温度上昇しており、この温度上昇した排気空気は、上記貯湯タンク７の水が温水配管４３を介して循環する熱回収用熱交換器３３で熱回収された後、排気ダクト３５を通じて外部に放出される。このとき、熱回収用熱交換器３３での熱交換によって、貯湯タンク７の水が温度上昇する。他方、燃料電池６の化学反応において生じた水は、温度上昇した排気空気中に水蒸気として存在しているため、熱回収用熱交換器３３にて貯湯タンク７の水と熱交換した際に凝縮され、ドレン水としてドレン水配管３６より外部に排出される。
【００３２】
そして、この燃料電池６にて水素と空気中の酸素とを化学反応させて発電された電力は、出力線５１を介して昇圧コンバータ１５に送られ、当該昇圧コンバータ１５を経て、インバータに必要な電圧にまで昇圧され、系統連系インバータ１６（昇圧コンバータ１５と系統連系インバータ１６を合わせて電力変換装置２０とする。）に送られ、ここから、単相３線の１００Ｖ／２００Ｖの電源として図２に示す如く連系リレー６６を介し、図示しない家庭に供給される商用電力系統６７に接続される。
【００３３】
コントローラ５０は、図２に示す電力需要負荷（家庭内の電気機器）６８に応じて昇圧ポンプ１９や空気ポンプ３０を制御し、所定の制御範囲内で燃料電池６における発電量を制御する。そして、燃料電池６の最大の発電量が電力需要負荷６８に満たない場合には、商用電力系統６７から電力需要負荷６８に電力が供給されることになる。
【００３４】
上述した改質器３、ＣＯ変成器４、ＣＯ除去器５、燃料電池６では、所定の反応温度を有する化学反応が行われる。改質器３における化学反応は吸熱反応であるので、改質装置１３に設けられた前記バーナによって常時加熱しながら化学反応を行う。
【００３５】
また、ＣＯ変成器４、ＣＯ除去器５で行われる化学反応は発熱反応であるので、システム起動時のみ図示しないバーナを燃焼させて、燃焼ガスを発生させ、このとき発生した燃焼ガスの熱でＣＯ除去器５の温度を反応温度まで昇温し、この反応温度まで昇温した後には、発熱反応の熱により反応温度以上に昇温しないように冷却が行われる。
【００３６】
燃料電池６では、電気化学反応が行われ、この電気化学反応時の活性化過電圧、濃度過電圧、抵抗過電圧により熱が発生する。このとき、燃料電池６の冷却部６ｃには、図示しないポンプにより、水タンク１１の水が供給され、当該冷却部６ｃを経た水は、配管２６を介して熱回収用熱交換器２７を通過し、再び水タンク１１に帰還する。尚、熱回収用熱交換器２７には、上記貯湯タンク７の水が温水配管４２を介して循環するため、貯湯タンク７の水が温度上昇し、水タンク１１の水の温度が低下する。
【００３７】
これにより、水タンク１１の水が冷却部６ｃを循環することにより、燃料電池６が冷却される。また、貯湯タンク７の水は発電の際に生じる熱を利用して温度上昇させることができるため、この熱を利用して市水から温水を生成し、この温水は、家庭において図示しない風呂やキッチンなどに供給することができる。
【００３８】
上記改質器３の排気系には、図示しない熱交換器が接続され、水タンク２１の水がポンプ４０を介して供給されると、当該熱交換器で水蒸気化し、この水蒸気が、原燃料と混合して改質器３に供給される。
【００３９】
以上の構成により、燃料電池システムＳが、コージェネレーションシステムの形態をとるので、エネルギーの有効活用が図られる。したがって、高い総合熱効率が得られるので、原燃料の消費量が減少し、二酸化炭素の排出量が低減される。
【００４０】
次に、図２を用いて燃料電池システムＳに設けられた内部負荷について説明する。この内部負荷は燃料電池６で発電された余剰電力を消費するために用いられるものであり、実施例では貯湯タンク７内、若しくは、熱回収用熱交換器２７と貯湯タンク７間の温水配管４２（熱回収水経路）と交熱的に設けられた電気ヒータ５３である。
【００４１】
この電気ヒータ５３（内部負荷）は、燃料電池６の出力線５１にヒータ制御回路（制御装置）５４を介して接続されている。このヒータ制御回路５４には出力線５１及び商用電力系統６７の配電線５６に設けられた電流センサ５７、５８の出力が入力されている。尚、各電流センサ５７、５８の出力は前記コントローラ５０にも入力され、燃料電池６の発電制御に供される。
【００４２】
ここで、コントローラ５０は前述した如く電力需要負荷６８に応じて燃料電池６における発電量を制御するものであるが、実施例の如く家庭用で使用された場合には、家人が在宅中か否か、或いは、活動中か就寝中か否かなどによって電力需要（電力消費量）は大きく変動する。上述した如く燃料電池６の発電量より負荷６８が大きくなった時点で商用電力系統６７からその分が補われるが、負荷６８が燃料電池６の発電量よりも小さくなり、余剰電力が生じると、燃料電池６で発電された電力が商用電力系統６７に流れ込む逆潮流現象が発生する。
【００４３】
一方、発電は水素と酸素の化学反応によって生じるため、コントローラ５０による発電量の調整は負荷６８の変動に対してどうしても遅れが生じる。そのため、このままでは余剰電力が商用電力系統６７に逆潮流してしまうことになる。他方、急激にガス供給量などを変更すると、前述したオフガス量の増大などによりシステム内の熱バランスが崩れて運転を継続できなくなる。
【００４４】
また、電力需要負荷６８が減少して燃料電池６の発電制御範囲よりも小さくなった場合にも余剰負荷が発生し、逆潮流が生じる。係る場合には燃料電池６における発電を停止することも考えられるが、一旦燃料電池６の発電を停止した後、再起動するには時間がかかるため、停止させたくないと云う要求もある。
【００４５】
これらを解消するため、ヒータ制御回路５４は各電流センサ５７、５８が検出する出力線５１を流れる電流及び配電線５６を流れる電流に基づき、逆潮流が発生する場合、電気ヒータ５３に出力線５１から電流を流して発熱させ、係る余剰電力を消費してしまう。これにより、逆潮流を防止し、且つ、燃料電池６を停止させること無く、低負荷に対処できることになる。
【００４６】
この場合、逆潮流の防止と低負荷時の対処を同一の電気ヒータ５３（内部負荷）にて実現できるので、生産コストの削減も図ることができる。尚、この電気ヒータ５３への通電量はスイッチング素子を用いてヒータ制御回路５４が調整し、余剰電力量に応じて的確な値に制御される。そして、この電気ヒータ５３の発熱はまた貯湯タンク７内や温水配管４２を流れる温水を加熱するので、無駄にならず、有効に回収できる。
【００４７】
尚、実施例では燃料電池６の出力線５１にヒータ制御回路５４を介して電気ヒータ５３を接続したが、それに限らず、電力変換装置２０内に内蔵し、昇圧コンバータ１５を系統連系インバータ１６の間に接続してもよい（図２中※１）。係る場合には、電力変換装置２０と電気ヒータ５３、ヒータ制御回路５４を一体化できるので生産性が向上する。また、電気ヒータ５３を電力変換装置２０の後段に接続してもよい（図２中※２）。
【００４８】
【発明の効果】
以上詳述した如く本発明によれば、例えばシステムに接続される負荷が急激に変動し、燃料電池の発電制御が追従できずに系統への逆潮流が生じる場合に、燃料電池での余剰電力を内部負荷で消費して係る逆潮流の発生を回避できるようになる。また、燃料電池の発電制御範囲より負荷が減少した場合などにも、当該内部負荷にて余剰電力を消費できるので、燃料電池の発電を停止すること無く運転を継続し、且つ、システム内での熱バランスも維持することができるようになる。そして、これら逆潮流の防止と低負荷時の対処を同一の内部負荷にて実現できるので、生産コストの削減も図ることができるようになるものである。
【００４９】
請求項４の発明によれば、上記各発明に加えて内部負荷は、システム内の熱回収水経路、又は、熱回収水を貯溜する貯湯タンクを加熱する電気ヒータであるので、余剰電力を有効に利用することができるようになるものである。
【００５０】
請求項５の発明によれば、請求項１乃至請求項３の発明に加えて内部負荷を、燃料電池の出力を調整する電力変換装置内に設けたので、燃料電池の出力調整と上記逆潮流の防止及び低負荷時の対処を電力変換装置内に集約することができるようになり、生産性が向上するものである。
【００５１】
請求項６の発明によれば、上記各発明に加えて制御装置は、余剰電力量に応じて内部負荷への通電量を制御するので、燃料電池で生じる余剰電力を内部負荷にて的確且つ効率的に解消することが可能となるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の燃料電池システムの構成図である。
【図２】図１の燃料電池システムの商用電力系統への接続状態を示す回路図である。
【符号の説明】
Ｓ  燃料電池システム
６  燃料電池
７  貯湯タンク
１３  改質装置
１５  昇圧コンバータ
１６  系統連系インバータ
２０  電力変換装置
４２  温水配管
５０  コントローラ
５３  電気ヒータ（内部負荷）
５４  ヒータ制御回路（制御装置）
６７  商用電力系統
６８  電力需要負荷
【図１】
2004213985.tif 000003
【図２】
2004213985.tif 000004