(57)【要約】      （修正有）【課題】燃料改質器容量を低減して、システムの小型化、設備投資の低減を図ると共に、燃料改質器を効率の良い水素発生量の範囲で運転することにより、安価でコンパクトで高効率な水素貯蔵装置を備えた燃料電池発電システム及び発電方法を提供する。【解決手段】燃料電池スタックと、燃料改質器、水素を燃料電池スタックへ供給する水素配管、空気中の酸素を燃料電池スタックに供給する空気配管、前記水素配管の途中から分岐した後再接続されるバイパス配管の途中に水素貯蔵装置を設置した燃料電池発電システムにおいて、燃料改質器で発生した水素の量に対して、電力負荷の消費電力を賄う為に燃料電池スタックが消費する水素の量が少なく水素が余るとき、余った水素を水素貯蔵装置に蓄え、消費する水素の量が多く水素が不足するとき、蓄えておいた水素で不足する水素を補うようにシステムを制御する制御装置からなる燃料電池発電システム。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素及び酸素を供給することにより発電する燃料電池スタックと、燃料を供給して水素を発生させる燃料改質器、燃料改質器において発生した水素を燃料電池スタックへ供給する水素配管、空気中の酸素を燃料電池スタックに供給する空気配管、前記水素配管の途中から分岐した後再接続されるバイパス配管の途中に水素貯蔵装置を設置した燃料電池発電システムにおいて、燃料改質器で発生した水素の量に対して、電力負荷の消費電力を賄う為に燃料電池スタックが消費する水素の量が少なく水素が余るとき、余った水素を水素貯蔵装置に蓄え、燃料改質器で発生した水素の量に対して、電力負荷の消費電力を賄う為に燃料電池スタックが消費する水素の量が多く水素が不足するとき、蓄えておいた水素で不足する水素を補うようにシステムを制御する制御装置からなることを特徴とする燃料電池発電システム。
【請求項２】
水素及び酸素を供給することにより発電する燃料電池スタックと、燃料を供給して水素を発生させる燃料改質器、燃料改質器において発生した水素を燃料電池スタックへ供給する水素配管、空気中の酸素を燃料電池スタックに供給する空気配管、前記水素配管の途中から分岐した後燃料電池スタックに直接接続される分岐配管の途中に水素貯蔵装置を設置した燃料電池発電システムにおいて、燃料改質器で発生した水素の量に対して、電力負荷の消費電力を賄う為に燃料電池スタックが消費する水素の量が少なく水素が余るとき、余った水素を水素貯蔵装置に蓄え、燃料改質器で発生した水素の量に対して、電力負荷の消費電力を賄う為に燃料電池スタックが消費する水素の量が多く水素が不足するとき、蓄えておいた水素で不足する水素を補うようにシステムを制御する制御装置からなることを特徴とする燃料電池発電システム。
【請求項３】
水素及び酸素を供給することにより発電する燃料電池スタックと、燃料を供給して水素を発生させる燃料改質器、燃料改質器において発生した水素を燃料電池スタックへ供給する水素配管、空気中の酸素を燃料電池スタックに供給する空気配管、前記水素配管の途中に水素貯蔵装置を設けた燃料電池発電システムにおいて、燃料改質器で発生した水素の量に対して、電力負荷の消費電力を賄う為に燃料電池スタックが消費する水素の量が少なく水素が余るとき、余った水素を水素貯蔵装置に蓄え、燃料改質器で発生した水素の量に対して、電力負荷の消費電力を賄う為に燃料電池スタックが消費する水素の量が多く水素が不足するとき、蓄えておいた水素で不足する水素を補うようにシステムを制御する制御装置からなることを特徴とする燃料電池発電システム。
【請求項４】
燃料電池スタックからの排熱を回収する排熱回収装置を備えたことを特徴とする請求項1〜3記載の燃料電池発電システム。
【請求項５】
水素貯蔵装置が圧力ボンベであることを特徴とする請求項1〜4記載の燃料電池発電システム。
【請求項６】
水素貯蔵装置が圧力ボンベであるとき、夜間電力を使って水素を圧力ボンベに蓄えることを特徴とする請求項1〜5記載の燃料電池発電システム。
【請求項７】
電力キャパシターを備えたことを特徴とする請求項1〜6記載の燃料電池発電システム。
【請求項８】
燃料を燃料改質器に供給して水素を発生し、発生した水素と空気中の酸素を燃料電池スタックに供給することにより発電する燃料電池発電方法において、燃料改質器で発生した水素の量に対して、電力負荷の消費電力を賄う為に燃料電池スタックが消費する水素の量が少なく水素が余るとき、余った水素を前記水素配管の途中から分岐した後再接続されるバイパス配管の途中に設置された水素貯蔵装置に蓄え、燃料改質器で発生した水素の量に対して、電力負荷の消費電力を賄う為に燃料電池スタックが消費する水素の量が多く水素が不足するとき、水素貯蔵装置に蓄えておいた水素で不足する水素を補うことを特徴とする燃料電池発電方法。
【請求項９】
燃料を燃料改質器に供給して水素を発生し、発生した水素と空気中の酸素を燃料電池スタックに供給することにより発電する燃料電池発電方法において、燃料改質器で発生した水素の量に対して、電力負荷の消費電力を賄う為に燃料電池スタックが消費する水素の量が少なく水素が余るとき、余った水素を前記水素配管の途中から分岐した後燃料電池スタックに直接接続される分岐配管の途中に設置された水素貯蔵装置に蓄え、燃料改質器で発生した水素の量に対して、電力負荷の消費電力を賄う為に燃料電池スタックが消費する水素の量が多く水素が不足するとき、水素貯蔵装置に蓄えておいた水素で不足する水素を補うことを特徴とする燃料電池発電方法。
【請求項１０】
燃料を燃料改質器に供給して水素を発生し、発生した水素と空気中の酸素を燃料電池スタックに供給することにより発電する燃料電池発電方法において、燃料改質器で発生した水素の量に対して、電力負荷の消費電力を賄う為に燃料電池スタックが消費する水素の量が少なく水素が余るとき、余った水素を前記水素配管の途中に設置された水素貯蔵装置に蓄え、燃料改質器で発生した水素の量に対して、電力負荷の消費電力を賄う為に燃料電池スタックが消費する水素の量が多く水素が不足するとき、水素貯蔵装置に蓄えておいた水素で不足する水素を補うことを特徴とする燃料電池発電方法。
【請求項１１】
燃料電池スタックからの排熱を回収する排熱回収装置を備えたことを特徴とする請求項8〜10記載の燃料電池発電方法。
【請求項１２】
水素貯蔵装置が圧力ボンベであることを特徴とする請求項8〜11記載の燃料電池発電方法。
【請求項１３】
水素貯蔵装置が圧力ボンベであるとき、夜間電力を使って水素を圧力ボンベに蓄えることを特徴とする請求項8〜12記載の燃料電池発電方法。
【請求項１４】
電力キャパシターを備えたことを特徴とする請求項8〜13記載の燃料電池発電方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システム（排熱回収装置を備える場合、コージェネレーションシステムともいう。）において、水素貯蔵装置を設置した燃料電池発電システムおよび燃料電池発電方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池発電システムは、発電効率が高い発電システムとして注目されてきた。燃料電池発電システムから排出される排ガスの保有する熱エネルギーが排熱として回収される場合、燃料電池システムはさらにエネルギーの利用効率が高いコージェネレーションシステムとなる。また、燃料電池発電システムは、運転時に騒音が少ない発電システムでもあるという特徴をも有している。
従来の燃料電池発電システムでは、燃料電池スタックの発電出力に対応して燃料改質器において水素を発生させる為、燃料電池スタックの最大発電出力に対応した大容量の燃料改質器を備える必要があった。そして消費電力が少ないときは、大容量の燃料改質器は、少ない負荷で運転される。燃料電池スタックは低負荷運転においても効率を落とさずに運転が可能であるが、燃料改質器は定格出力で運転されるとき最も効率が良く、低負荷運転では効率が低下し、システム全体では低負荷運転において効率が低下する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
このような燃料電池システムの場合、燃料改質器の水素製造能力は、燃料電池スタックの最大水素消費量に合わせる必要がある。燃料電池スタックの水素消費量は電力負荷の消費電力の増減により変動する。電力負荷の消費電力は、例えば、春夏秋冬の季節によって変動（季節変動）し、また一日のうち昼と夜によって変動（昼夜変動）する。それゆえに、燃料電池スタックの発電容量を電力負荷の最大消費電力に合わせた場合、大容量の燃料改質器が必要になり、システム全体の大型化、設備投資の増加、燃料改質器の起動時に必要なウォーミングアップ運転時の燃料の増加という問題が発生する。また、燃料改質器は、大部分の時間において、効率が悪い低負荷で運転しなければならないという問題もある。
【０００４】
本発明の課題は、燃料改質器容量を低減して、システムの小型化、設備投資の低減、燃料改質器のウォーミングアップ運転時の燃料低減を図ると共に、燃料改質器を効率の良い水素発生量の範囲で運転することにより、安価でコンパクトで高効率な水素貯蔵装置を備えた燃料電池発電システム及び燃料電池発電方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
ここでは、本願明細書、特に各請求項記載発明に用いられる用語の解釈上の疑義を解消すべく、以下用語について説明する。
＜用語説明＞
○燃料電池発電システムとは、電力負荷に電力を供給する燃料電池スタック、水素を発生させる燃料改質装置、水素を蓄える水素貯蔵装置と、燃料改質器で発生した水素の量に対して、電力負荷の消費電力を賄う為に燃料電池スタックが消費する水素の量が少なく水素が余るとき、余った水素を水素貯蔵装置に蓄え、燃料改質器で発生した水素の量に対して、電力負荷の消費電力を賄う為に燃料電池スタックが消費する水素の量が多く水素が不足するとき、水素貯蔵装置に蓄えておいた水素で不足する水素を補うようにシステムを制御する制御装置からなる。さらに、燃料電池スタックで発生する排熱を回収する排熱回収装置が用件に加重される場合がある。
○制御装置とは、燃料改質器で発生した水素の量に対して、電力負荷の消費電力を賄う為に燃料電池スタックが消費する水素の量が少なく水素が余るとき、余った水素を水素貯蔵装置に蓄え、燃料改質器で発生した水素の量に対して、電力負荷の消費電力を賄う為に燃料電池スタックが消費する水素の量が多く水素が不足するとき、水素貯蔵装置に蓄えておいた水素で不足する水素を補うようにシステムを制御する装置である。より具体的には、消費電力計を設置して、消費電力計の読み取り値情報（電力負荷の消費電力の読み取り値情報）を制御装置に伝送し、制御装置内の演算装置で情報処理することにより、燃料電池スタックが消費する水素の量を算出する。同時に、燃料改質器出口に設置した流量計の読み取り情報値を制御装置に伝送し、制御装置内の演算装置で情報処理することにより、燃料改質器で発生した水素の量を算出する。そして、制御装置内の演算装置で燃料電池スタックが消費する水素の量と燃料改質で発生した水素の量を比較し、燃料改質器で発生した水素の量の方が多い場合、余った水素を水素貯蔵装置に蓄え、燃料電池スタックが消費する水素の量の方が多い場合、水素貯蔵装置に蓄えておいた水素で不足する水素を補うように制御を行うものである。
○燃料電池スタックとは、燃料改質器において発生した水素と空気中の酸素を電気化学的に反応させて発電を行う、燃料電池発電システムの心臓部である。
○燃料改質器とは、都市ガス、ナフサ、またはメタノール等の燃料を原料として、水素を主成分とするガス（以下、単に水素ともいう。）を製造する装置をいう。一般には、燃料と水蒸気を改質して、水素を主成分とするガス（改質ガス）を製造する装置をいい、この場合の改質方法を水蒸気改質法という。
○バイパス配管とは、燃料改質器において発生した水素を燃料電池スタックへ供給する水素配管の途中から分岐した後再接続される配管であって、バイパス配管の途中に水素貯蔵装置を設ける。
○分岐配管とは、燃料改質器において発生した水素を燃料電池スタックへ供給する水素配管の途中から分岐した後燃料電池スタックに直接接続される配管であり、分岐配管の途中に水素貯蔵装置を設ける。
○水素貯蔵装置とは、水素を蓄えておくことができる装置をいい、例えば、圧力ボンベ、水素吸蔵合金等を組み込んだ装置が例示される。
○燃料とは、燃料改質装置に供給される燃料で、都市ガス、ナフサ、またはメタノール等が例示される。
○電力負荷とは、電力を消費する電気器具等をいう。電力負荷は、通常は交流であるが、直流の場合も考えられる。電力負荷に用いられる照明機器、AV機器、厨房機器、空調機器などに市販の交流機器を用いる場合、燃料電池発電システムで発電された直流電力は、インバータによって交流電力に変換され、電力負荷に供給される。なお、電力負荷が直流の場合は、直流電力のまま電力負荷に供給される。
○消費電力とは、電力消費地点において、顧客が消費する電力、あるいは電力量をいう。ここに、消費電力とは、一般に単位時間当たりに消費するエネルギー量をいうが、ある時間帯に消費するエネルギー量をいう場合もある。消費電力量とは、ある時間帯に消費するエネルギー量をいう。
○排熱回収装置とは、発電時に燃料電池スタックや燃料改質器から排出される熱を回収し、空調や給湯のエネルギーとして有効利用する装置をいう。排熱回収装置が、吸収式冷凍機と温水ボイラとを含み、吸収式冷凍機で得られた冷水と、温水ボイラで得られた温水とを用いて空調を行うことも可能である。かかる場合、冷房を必要とする期間は吸収冷凍機で排熱回収が行われ、ここで得られた冷水は冷房に用いられる。また暖房を必要とする期間は排熱回収が温水ボイラで行われ、ここで得られた温水は暖房に用いられる。これによって空調機器などに使う電力負荷は、冷温水の送水ポンプ、換気ファンなど僅かなものになる。なお吸収式冷凍機や温水ボイラの排ガスはさらに給湯機などで熱回収することができる。
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本発明は、特許請求の範囲に記載された発明であり、具体的には以下の発明である。
［特許請求の範囲］
［請求項1］水素及び酸素を供給することにより発電する燃料電池スタックと、燃料を供給して水素を発生させる燃料改質器、燃料改質器において発生した水素を燃料電池スタックへ供給する水素配管、空気中の酸素を燃料電池スタックに供給する空気配管、前記水素配管の途中から分岐した後再接続されるバイパス配管の途中に水素貯蔵装置を設置した燃料電池発電システムにおいて、燃料改質器で発生した水素の量に対して、電力負荷の消費電力を賄う為に燃料電池スタックが消費する水素の量が少なく水素が余るとき、余った水素を水素貯蔵装置に蓄え、燃料改質器で発生した水素の量に対して、電力負荷の消費電力を賄う為に燃料電池スタックが消費する水素の量が多く水素が不足するとき、蓄えておいた水素で不足する水素を補うようにシステムを制御する制御装置からなることを特徴とする燃料電池発電システム。
【０００６】
本発明は、図1の一の実施形態の燃料電池発電システムに該当する発明である。
【０００７】
本発明の特徴は、前記水素配管の途中から分岐した後再接続されるバイパス配管の途中に水素貯蔵装置を設置したことである。
【０００８】
交流電力の合流は、同期投入装置が必要となる等、制御方法が複雑でかつ高価になるのに対して、水素ガスの合流は、バルブの操作だけで行うことができるので装置の取り扱いが非常に簡単である。
【０００９】
さらに、本発明の特徴は、燃料改質器で発生した水素の量に対して、電力負荷の消費電力を賄う為に燃料電池スタックが消費する水素の量が少なく水素が余るとき、余った水素を水素貯蔵装置に蓄え、燃料改質器で発生した水素の量に対して、電力負荷の消費電力を賄う為に燃料電池スタックが消費する水素の量が多く水素が不足するとき、蓄えておいた水素で不足する水素を補うようにシステムを制御する制御装置からなることである。
【００１０】
消費電力計を設置して、消費電力計の読み取り値情報（電力負荷の消費電力の読み取り値情報）を制御装置に伝送し、制御装置内の演算装置で情報処理することにより、燃料電池スタックが消費する水素の量を算出する。同時に、燃料改質器出口に設置した流量計の読み取り情報値を制御装置に伝送し、制御装置内の演算装置で情報処理することにより、燃料改質器で発生した水素の量を算出する。そして、制御装置内の演算装置で燃料電池スタックが消費する水素の量と燃料改質で発生した水素の量を比較することにより、「燃料改質器で発生した水素の量の方が多い場合、余った水素を水素貯蔵装置に蓄え、燃料電池スタックが消費する水素の量の方が多い場合、水素貯蔵装置に蓄えておいた水素で不足する水素を補う制御」を行うことができる。
【００１１】
上記のようにシステムを制御することにより、燃料改質器の運転を効率の良い水素発生量の範囲に限定して行うことが可能になる。また、水素をいつでも取り出せる状態で貯蔵しておくことにより、燃料改質器の水素製造能力以上の水素を燃料電池スタックに供給することが可能になり、燃料改質器を小容量化できる。
【００１２】
これにより、システム全体のエネルギー効率の向上を図ると共に、燃料改質器容量を低減して、安価でコンパクトで高効率な水素貯蔵装置を備えた燃料電池発電システム及び燃料電池発電方法を提供するという発明の課題が達成できる。
［請求項2］ 水素及び酸素を供給することにより発電する燃料電池スタックと、燃料を供給して水素を発生させる燃料改質器、燃料改質器において発生した水素を燃料電池スタックへ供給する水素配管、空気中の酸素を燃料電池スタックに供給する空気配管、前記水素配管の途中から分岐した後燃料電池スタックに直接接続される分岐配管の途中に水素貯蔵装置を設置した燃料電池発電システムにおいて、燃料改質器で発生した水素の量に対して、電力負荷の消費電力を賄う為に燃料電池スタックが消費する水素の量が少なく水素が余るとき、余った水素を水素貯蔵装置に蓄え、燃料改質器で発生した水素の量に対して、電力負荷の消費電力を賄う為に燃料電池スタックが消費する水素の量が多く水素が不足するとき、蓄えておいた水素で不足する水素を補うようにシステムを制御する制御装置からなることを特徴とする燃料電池発電システム。
本発明は、図2の二の実施形態の燃料電池発電システムに該当する発明である。
本発明の特徴は、前記水素配管の途中から分岐した後燃料電池スタックに直接接続される分岐配管の途中に水素貯蔵装置を設置したことである。
その他については、請求項1に係る発明において記載された内容と同じである。
［請求項3］ 水素及び酸素を供給することにより発電する燃料電池スタックと、燃料を供給して水素を発生させる燃料改質器、燃料改質器において発生した水素を燃料電池スタックへ供給する水素配管、空気中の酸素を燃料電池スタックに供給する空気配管、前記水素配管の途中に水素貯蔵装置を設けた燃料電池発電システムにおいて、燃料改質器で発生した水素の量に対して、電力負荷の消費電力を賄う為に燃料電池スタックが消費する水素の量が少なく水素が余るとき、余った水素を水素貯蔵装置に蓄え、燃料改質器で発生した水素の量に対して、電力負荷の消費電力を賄う為に燃料電池スタックが消費する水素の量が多く水素が不足するとき、蓄えておいた水素で不足する水素を補うようにシステムを制御する制御装置からなることを特徴とする燃料電池発電システム。
本発明は、図3の三の実施形態の燃料電池発電システムに該当する発明である。
本発明の特徴は、前記水素配管の途中に水素貯蔵装置を設置したことである。
本発明の構成のように、水素配管の途中に水素貯蔵装置をしたことにより、コンプレッサーとバルブの構成要素が少なくなり、コスト低減が図れると共に、本燃料電池発電システム運転方法が、請求項1に記載された発明よりも簡単になり、故障もしにくくなるという特徴を有する。
その他については、請求項1に係る発明において記載された内容と同じである。
［請求項4］燃料電池スタックからの排熱を回収する排熱回収装置を備えたことを特徴とする請求項1〜3記載の燃料電池発電システム。
【００１３】
本発明により、さらに燃料電池発電システムのエネルギー効率が向上する。
［請求項5］ 水素貯蔵装置が圧力ボンベであることを特徴とする請求項1〜4記載の燃料電池発電システム。
［請求項6］ 水素貯蔵装置が圧力ボンベであるとき、夜間電力を使って水素を圧力ボンベに蓄えることを特徴とする請求項1〜5記載の燃料電池発電システム。
【００１４】
本発明では、燃料改質器で生成した水素が余った場合、水素貯蔵装置に蓄えると共に、余剰の夜間電力も水素貯蔵装置に圧力エネンルギ−として貯蔵することができ、一石二鳥の効果を発揮することができる。
［請求項7］電力キャパシターを備えたことを特徴とする請求項1〜6記載の燃料電池発電システム。
【００１５】
電力負荷の電源スイッチを入れた場合、突入電力がアップする。電力キャパシターは、急激な電力負荷の変動に対処するために設けられている。
［請求項8］燃料を燃料改質器に供給して水素を発生し、発生した水素と空気中の酸素を燃料電池スタックに供給することにより発電する燃料電池発電方法において、燃料改質器で発生した水素の量に対して、電力負荷の消費電力を賄う為に燃料電池スタックが消費する水素の量が少なく水素が余るとき、余った水素を前記水素配管の途中から分岐した後再接続されるバイパス配管の途中に設置された水素貯蔵装置に蓄え、燃料改質器で発生した水素の量に対して、電力負荷の消費電力を賄う為に燃料電池スタックが消費する水素の量が多く水素が不足するとき、水素貯蔵装置に蓄えておいた水素で不足する水素を補うことを特徴とする燃料電池発電方法。
【００１６】
本発明は、請求項1記載発明（燃料電池発電システム）に対応した燃料電池発電方法の発明である。ここで説明しない事項については、請求項1記載発明の説明内容と同じである。
【００１７】
本発明では、バイパス配管、分岐配管等の構成を限定としていない。本発明は、水素貯蔵装置を設置して、燃料改質器で発生した水素の量に対して、電力負荷の消費電力を賄う為に燃料電池スタックが消費する水素の量が少なく水素が余るとき、余った水素を前記水素配管の途中から分岐した後再接続されるバイパス配管の途中に設置された水素貯蔵装置に蓄え、燃料改質器で発生した水素の量に対して、電力負荷の消費電力を賄う為に燃料電池スタックが消費する水素の量が多く水素が不足するとき、水素貯蔵装置に蓄えておいた水素で不足する水素を補うことを特徴とするものである。
【００１８】
かかる特徴的構成により、燃料改質器の運転を効率の良い水素発生量の範囲に限定して行うことが可能になる。また、水素をいつでも取り出せる状態で貯蔵しておくことにより、燃料改質器の水素製造能力以上の水素を燃料電池スタックに供給することが可能になり、燃料改質器を小容量化できる。
【００１９】
これにより、システム全体のエネルギー効率の向上を図ると共に、燃料改質器容量を低減して、安価でコンパクトな水素貯蔵装置を備えた燃料電池発電システム及び燃料電池発電方法を提供するという発明の課題が達成できる。
［請求項9］ 燃料を燃料改質器に供給して水素を発生し、発生した水素と空気中の酸素を燃料電池スタックに供給することにより発電する燃料電池発電方法において、燃料改質器で発生した水素の量に対して、電力負荷の消費電力を賄う為に燃料電池スタックが消費する水素の量が少なく水素が余るとき、余った水素を前記水素配管の途中から分岐した後燃料電池スタックに直接接続される分岐配管の途中に設置された水素貯蔵装置に蓄え、燃料改質器で発生した水素の量に対して、電力負荷の消費電力を賄う為に燃料電池スタックが消費する水素の量が多く水素が不足するとき、水素貯蔵装置に蓄えておいた水素で不足する水素を補うことを特徴とする燃料電池発電方法。
【００２０】
本発明は、請求項2記載発明（燃料電池発電システム）に対応した燃料電池発電方法の発明である。ここで説明しない事項については、請求項2記載発明の説明内容と同じである。
［請求項10］ 燃料を燃料改質器に供給して水素を発生し、発生した水素と空気中の酸素を燃料電池スタックに供給することにより発電する燃料電池発電方法において、燃料改質器で発生した水素の量に対して、電力負荷の消費電力を賄う為に燃料電池スタックが消費する水素の量が少なく水素が余るとき、余った水素を前記水素配管の途中に設置された水素貯蔵装置に蓄え、燃料改質器で発生した水素の量に対して、電力負荷の消費電力を賄う為に燃料電池スタックが消費する水素の量が多く水素が不足するとき、水素貯蔵装置に蓄えておいた水素で不足する水素を補うことを特徴とする燃料電池発電方法。
【００２１】
本発明は、請求項3記載発明（燃料電池発電システム）に対応した燃料電池発電方法の発明である。ここで説明しない事項については、請求項3記載発明の説明内容と同じである。
［請求項11］燃料電池スタックからの排熱を回収する排熱回収装置を備えたことを特徴とする請求項8〜10記載の燃料電池発電方法。
本発明は、請求項4記載発明（燃料電池発電システム）に対応した燃料電池発電方法の発明である。ここで説明しない事項については、請求項4記載発明の説明内容と同じである。
［請求項12］ 水素貯蔵装置が圧力ボンベであることを特徴とする請求項8〜11記載の燃料電池発電方法。
本発明は、請求項5記載発明（燃料電池発電システム）に対応した燃料電池発電方法の発明である。ここで説明しない事項については、請求項5記載発明の説明内容と同じである。
［請求項13］ 水素貯蔵装置が圧力ボンベであるとき、夜間電力を使って水素を圧力ボンベに蓄えることを特徴とする請求項8〜12記載の燃料電池発電方法。
本発明は、請求項6記載発明（燃料電池発電システム）に対応した燃料電池発電方法の発明である。ここで説明しない事項については、請求項6記載発明の説明内容と同じである。
［請求項14］電力キャパシターを備えたことを特徴とする請求項8〜13記載の燃料電池発電方法。
本発明は、請求項7記載発明（燃料電池発電システム）に対応した燃料電池発電方法の発明である。ここで説明しない事項については、請求項7記載発明の説明内容と同じである。
【発明の効果】
【００２２】
以上のように本発明の構成により、本発明の課題全てを充分に達成することができた。すなわち、電力消費量が少なく、燃料改質器の水素製造能力に余裕があるときに、水素を水素貯蔵装置に蓄えておき、電力消費量が増加し燃料改質器の水素製造能力が不足したときに、水素貯蔵装置に蓄えておいた水素で水素製造能力の不足を補うことにより、最大消費電力に対応した燃料改質器を必要とせず、システムのコンパクト化、設備投資の低減、燃料改質器のウォーミングアップ運転時の燃料の低減が可能になると共に、燃料改質器を効率の良い水素発生量の範囲に限定して運転することが可能になり、燃料電池発電システム全体のエネルギー効率を向上させることができる。
【００２３】
排熱回収装置を設置することにより、燃料電池スタックや燃料改質器の排熱も有効に利用できる。
【００２４】
夜間電力でコンプレッサーを駆動して水素を圧力ボンベに圧縮貯蔵することにより、揚水発電代替類似の電力貯蔵が可能となり、昼間において、系統電力のピークカットが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
水素及び酸素を供給することにより発電する燃料電池スタックと、燃料を供給して水素を発生させる燃料改質器、燃料改質器において発生した水素を燃料電池スタックへ供給する水素配管、空気中の酸素を燃料電池スタックに供給する空気配管、前記水素配管の途中に水素貯蔵装置を設けた燃料電池発電システムにおいて、燃料改質器で発生した水素の量に対して、電力負荷の消費電力を賄う為に燃料電池スタックが消費する水素の量が少なく水素が余るとき、余った水素を水素貯蔵装置に蓄え、燃料改質器で発生した水素の量に対して、電力負荷の消費電力を賄う為に燃料電池スタックが消費する水素の量が多く水素が不足するとき、蓄えておいた水素で不足する水素を補うようにシステムを制御する制御装置からなることを特徴とする燃料電池発電システムである。
【実施例１】
【００２６】
以下実施例1について説明する。図1は本発明に係る燃料電池発電システム100の一実施例を示すブロック図である。
水素H及び酸素Oを供給することにより発電する燃料電池スタック3と、燃料Fを供給することにより水素Hを発生させる燃料改質器1、燃料改質器1において発生した水素Hを燃料電池スタック3へ供給する水素配管LH、空気A中の酸素Oを燃料電池スタック3に供給する空気配管LA、前記水素配管LHの途中から分岐した後再接続されるバイパス配管LBPの途中に設けられた水素貯蔵装置2、及び制御装置（図示せず）から構成されている。
そして、制御装置は、燃料改質器1で発生した水素Hの量に対して、電力負荷11の消費電力を賄う為に燃料電池スタック3が消費する水素Hの量が少なく水素Hが余るとき、余った水素Hを水素貯蔵装置2に蓄え、燃料改質器1で発生した水素Hの量に対して、電力負荷11の消費電力を賄う為に燃料電池スタック2が消費する水素Hの量が多く水素Hが不足するとき、蓄えておいた水素Hで不足する水素Hを補うようにシステムを制御する。
これにより、燃料改質器1は効率が良い範囲に限定して運転することができるようになり、エネルギー効率が従来以上に向上する。
一方、水素貯蔵装置3に水素Hをいつでも取り出せる状態で蓄えることにより、燃料電池スタックの最大水素H消費量を賄う大容量の燃料改質器1を必要とせず、システムのコンパクト化、設備投資の低減、燃料改質器のウォーミングアップ運転時のに要する燃料Fの低減が可能になる。
以上のような効果により、コンパクトで安価で高効率な水素貯蔵装置2を備えた燃料電池発電システム100とすることができる。
以下、図1を参照して実施例1を詳細に説明する。図1は、本発明に係る燃料電池発電システム100の一実施例を示すブロック図である。
燃料電池発電システム100は、燃料改質器1、水素貯蔵装置2、燃料電池スタック3、電力負荷11から構成されている。さらに、排熱回収装置4を構成要素ともしている。
燃料改質器1は燃料Fを原料として水素リッチガス（水素H）を生成する。
燃料改質器1は、水素配管LHを通じて燃料電池スタック3と接続されている。水素配管LHの途中には、コンプレッサーC2とバルブV2が設けられている。コンプレッサーの上流地点から分岐したバイパス配管LBPが設けられ、バイパス配管LBPの途中に、順次、コンプレッサーC1、バルブV1、水素貯蔵装置2、バルブV3が設けられている。
＜燃料改質器1で発生した水素Hの量と燃料電池スタック3が消費する水素Hの量が同じとき＞
燃料改質器1で発生した水素Hの量と電力負荷11の消費電力を賄う為に燃料電池スタック3が消費する水素Hの量が同じとき、燃料改質器1で生成された水素HはバルブV2を開にした上でコンプレッサーC2によって昇圧され、水素配管LHを通じて過不足なく燃料電池スタック3に供給される。一方、空気AもコンプレッサーC4によって昇圧されて空気配管LAを通じて発電に必要な分だけ燃料電池スタック3に供給される。
＜燃料改質器1で発生した水素Hの量に対して、燃料電池スタック3が消費する水素Hの量が少なく水素Hが余るとき＞
燃料改質器1で発生した水素Hの量に対して、電力負荷11の消費電力を賄う為に燃料電池スタック3が消費する水素Hの量が少なく水素Hが余るとき、燃料改質器1で生成された水素Hの内、余剰な分の水素HはバルブV1を開、バルブV3を閉にして、コンプレッサーC1によって昇圧され、バイパス配管LBPを通じて水素貯蔵装置2に蓄えられる。発電に必要な分の水素HはバルブV2を開にした上でコンプレッサーC2によって昇圧され、水素配管LHを通じて燃料電池スタック3に供給される。一方、空気AもコンプレッサーC4によって昇圧されて空気配管LAを通じて発電に必要な分だけ燃料電池スタック3に供給される。
＜燃料改質器1で発生した水素Hの量に対して、燃料電池スタック3が消費する水素Hの量が多く水素Hが不足するとき＞
燃料改質器1で発生した水素Hの量に対して、電力負荷11の消費電力を賄う為に燃料電池スタック3が消費する水素Hの量が多く水素Hが不足するとき、燃料改質器1で生成された水素Hは全てバルブV2を開にした上でコンプレッサーC2によって昇圧され、水素配管LHを通じて燃料電池スタック3に供給される。不足な分の水素Hは、C1を閉にした上で、V3を開き、水素貯蔵装置2に蓄えられている水素Hをバイパス配管LBPを通じて水素配管LHに合流させることにより賄われる。一方、空気AもコンプレッサーC4によって昇圧されて空気配管LAを通じて発電に必要な分だけ燃料電池スタック3に供給される。
【００２７】
燃料電池スタック3において発電された直流電力は電力線LEの途中に設置されたインバータ（図示せず）を介して交流電力に変換されて電力負荷11に供給される。さらに、燃料電池スタック3から発生する排熱は排熱回収装置4によって回収されて熱負荷12に供給される。
【００２８】
この結果、燃料改質器1は、効率の良い水素H発生量の範囲に限定して運転することが可能となる。また、水素貯蔵装置2を設けることにより、燃料改質器1における水素H製造能力以上の燃料電池スタック3の水素H需要にも対応することができ、燃料改質器1の小容量化が可能になる。
＜燃料電池発電方法(定常モード)＞
さらに、本システムの運転方法(燃料電池発電方法)について説明する。
【００２９】
図4に基づいて説明する。以下の説明に無い内容は、実施例1の上述した内容と同じとする。
【００３０】
本システムは商業地域に設置されている。
【００３１】
電力負荷11の電力需要の増加に伴い、9時から18時までほぼ一定の燃料電池スタック3の水素需要が発生している。
【００３２】
燃料改質器1は定格水素発生量約5ｍ３／h一定で水素Hを製造する。
【００３３】
昨日の19時から翌朝の7時までの間の燃料改質器1の水素発生量が燃料電池スタック3の水素H消費量を上回る時間帯に、余剰水素H約60ｍ３が水素貯蔵装置2に蓄えられた。7時の時点では60ｍ３の水素Hが水素貯蔵装置2に蓄えられている。その後、7時から19時までの間の燃料改質器1の水素H発生量が燃料電池スタック3の水素H消費量を下回る時間帯は、不足する水素Hを水素貯蔵装置２に蓄えておいた水素Hで補い、燃料電池スタック3に電力負荷11の消費電力を賄うのに必要な水素Hを供給した。
【００３４】
以下、上記手順を繰り返す。
＜燃料電池発電方法(停止・起動モード)＞
週末(土曜・日曜)に燃料改質器1を停止する場合について燃料電池発電システム100の運転方法について説明する。
図5に基づいて説明する。
週末(土曜・日曜)の間、電力負荷11の消費電力が少ない場合、燃料改質器1を停止し、水素貯蔵装置2に貯蔵された水素Hで、週末(土曜・日曜)の間の電力負荷11の消費電力を賄うことができる場合がある。
金曜日の19時に営業を終了する。営業終了後一定時間燃料改質器1の運転を行い、週末(土曜・日曜)の間に必要な水素Hを水素貯蔵装置2に貯蔵し、燃料改質器1を停止する。燃料改質器1を停止した後は、水素貯蔵装置2に貯蔵されている水素Hを燃料電池スタック3に供給して電力負荷11の消費電力を賄う。
週明けの電力負荷11の消費電力を賄う為に、電力負荷11の消費電力が増加し始める週明けの7時に水素H貯蔵量が最大になるように燃料改質器1を起動するタイミングを計算して燃料改質器1を起動する。
＜水素貯蔵容量＞
起動時に燃料電池スタック3への水素H供給を賄うために必要な水素貯蔵容量2を以下算出する。
○起動時に燃料電池スタック3への水素H供給を賄うために必要な水素H貯蔵容量
起動時電力負荷11の消費電力1kW、燃料電池発電システム100発電効率30％、燃料改質器２の起動時間30分、水素Hの低位発熱量2.994kWh／ｍ３とすると、下記の計算式より、約0.56ｍ３の水素Hを貯蔵しておく必要がある。
56ｍ３＝1kW×0.5ｈ／(2.994kWh／ｍ３×0.3)
上記から、起動時に燃料電池スタック3への水素供給を賄うために必要な水素H貯蔵容量は、約0.56ｍ３である。
即ち、0.56ｍ３の水素Hが貯蔵されていれば、燃料改質器２の停止時に1kWの電力負荷11の消費電力が発生しても、燃料改質器２が起動するまでの間、燃料電池スタック3への水素H供給を賄うことができる。
○電力負荷11の消費電力が急増・急減した際に必要な水素H貯蔵量及び水素H貯蔵容量
電力負荷11の消費電力変化量1kW、燃料電池発電システム100発電効率30％、燃料改質器2の応答時間１分、水素Hの低位発熱量2.994kWh／ｍ３とすると、下記の式より、約0.0187ｍ３の水素H貯蔵容量が必要である。
0.0187ｍ３＝1kW×1／60ｈ／(2.994kWh／ｍ３×0.3)
上記から、電力負荷11の消費電力が急増・急減した際に必要な水素H貯蔵量及び水素H貯蔵容量は0.0187ｍ３である。
即ち、電力消費量1kWの電力負荷11のスイッチが入った場合でも、0.0187ｍ３の水素Hが貯蔵されていれば、燃料改質器1の水素発生量を上昇させるまでの間、燃料電池スタック3への水素H供給を賄うことができ、電力消費量1kWの電力負荷11のスイッチが切られた場合でも、0.0187ｍ３の水素Hを貯蔵する余裕が水素貯蔵装置2にあれば、燃料改質器1の水素発生量を低下させるまでの間、余剰な水素Hを貯蔵しておくことができる。以上のように電力負荷11の消費電力が急増・急減した際にも、電力負荷11にスムーズに電力供給することができる。
【実施例２】
【００３５】
以下実施例2について説明する。図2は本発明に係る燃料電池発電システム100の一実施例を示すブロック図である。
【００３６】
なお、実施例2について説明しない部分は、実施例1と同じである。
【００３７】
実施例1では、コンプレッサーC2の上流で、水素配管LHから分岐したバイパス配管LBPが再度バルブV2の下流で合流するのに対して、実施例2では、コンプレッサーC2の上流で、水素配管LHから分岐した分岐配管LBRが再度バルブV2の下流で合流することなく、バルブV3を通った後燃料電池スタック3に直接接続される点が相違する。
【００３８】
その他の構成については、実施例1と実施例2とは同じである。
【実施例３】
【００３９】
以下実施例3について説明する。図3は本発明に係る燃料電池発電システム100の一実施例を示すブロック図である。
【００４０】
なお、実施例3について説明しない部分は、実施例1と同じである。
実施例1では、バイパス配管LBPの途中に水素貯蔵装置が設置され、実施例2では、分岐配管LBRの途中に水素貯蔵装置が設置されるのに対して、実施例3では、水素配管LHの途中に水素貯蔵装置が設置される点が相違する。
実施例3の効果は、水素配管LHの途中にバイパス配管LBPや分岐配管LBRを設けることなく、またコンプレッサーやバルブの構成要素が減ってコストダウンに繋がり、燃料電池発電システムの運転が簡単になり、故障等が減少することである。
【実施例４】
【００４１】
以下実施例4について説明する。なお、実施例4について説明しない部分は、実施例1と同じである。実施例4では、電力線LEPに電力キャパシターEC(図示しない)が設置される。電力負荷11のスイッチが入れられ、突入電力が急激に上昇したが、急激な上昇分は電力キャパシターに蓄えられた電力で賄うことができた。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明の一の実施形態の燃料電池発電システム100のブロック図である。
【図２】本発明の二の実施形態の燃料電池発電システム100のブロック図である。
【図３】本発明の三の実施形態の燃料電池発電システム100のブロック図である。
【図４】本発明の一の実施形態の燃料電池発電システム100の定常モードの運転状況説明図である。
【図５】本発明の一の実施形態の燃料電池発電システム100の停止・起動モードの運転状況説明図である。
【符号の説明】
【００４３】
燃料電池発電システム
1    燃料改質器
2     水素貯蔵装置
3     燃料電池スタック
4     排熱回収装置
電力負荷
熱負荷
C1、C2、C4  コンプレッサー
V1、V2、V3  バルブ
LA    空気配管
LH    水素配管
LBP   バイパス配管
LBR   分岐配管
【図１】
2005285611.tif 000003
【図２】
2005285611.tif 000004
【図３】
2005285611.tif 000005
【図４】
2005285611.tif 000006
【図５】
2005285611.tif 000007