(57)【要約】      （修正有）【課題】電力需要場所に近接した分散型発電による電源を商用電源と接続して使用することができ、商用電源と切断されても、自立運転や、自立起動が可能であり、災害時などの短絡事故を回避して、家庭への電力を供給することができ、家庭の消費電力の変動による余剰電力を適切に消費して安全運転ができる非常時対応型燃料電池システムを提供する。【解決手段】非常時対応型燃料電池１と、該非常時対応型燃料電池１と商用電源系統との連系、解列を制御する連系保護装置２、非常時対応型燃料電池１が商用電源系統と解列したときに非常時対応型燃料電池１を起動する電力を供給する発電装置４と非常時対応型燃料電池１の発電電力を出力するコンセント６、非常時対応型燃料電池１の発電に伴う発熱の熱交換用の冷媒を貯蔵する貯湯槽５、および非常時対応型燃料電池１の発電量が家庭における消費電力を上回る余剰電力を消費するための負荷装置３を備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
商用電源系統と連系し家庭へ電力を供給する非常時対応型燃料電池を備えた非常時対応型燃料電池システムであって、商用電源系統と解列したときは自立運転が可能である非常時対応型燃料電池システム。
【請求項２】
商用電源系統と解列したときは発電装置を用いて起動可能であることを特徴とする請求項１記載の非常時対応型燃料電池システム。
【請求項３】
発電装置が自動車に搭載した発電装置であり、非常時対応型燃料電池が自動車に搭載した発電装置との接続端子を有することを特徴とする請求項２記載の非常時対応型燃料電池システム。
【請求項４】
非常時対応型燃料電池に設けたコンセントから家庭へ電力を供給することが可能であることを特徴とする請求項２〜３のいずれか記載の非常時対応型燃料電池システム。
【請求項５】
非常時対応型燃料電池と、該非常時対応型燃料電池と商用電源系統との連系、解列を制御する連系保護装置、非常時対応型燃料電池が商用電源系統と解列したときに非常時対応型燃料電池を起動する電力を供給する発電装置、非常時対応型燃料電池が商用電源系統と解列したときに非常時対応型燃料電池の発電電力を出力するコンセント、非常時対応型燃料電池の発電に伴う発熱の熱交換用の貯湯槽、および非常時対応型燃料電池の発電量が家庭における消費電力を上回る余剰電力を消費するための負荷装置を備えたことを特徴とする請求項１〜４のいずれか記載の非常時対応型燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は効率的に電力を供給し、災害時には商用電源系統と解列して自立発電を可能とする非常時対応型燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、水素と酸素から水を生成する反応を利用して電気を発生させる燃料電池は、エネルギー利用効率のよい発電システムとして開発が活発化している。燃料電池システムは、天然ガス、都市ガス、メタノール、ＬＰＧ、ブタンなどの燃料ガスと水を用いて水素を生成させ、生成した水素をガス中に含まれる一酸化炭素を改質装置により除去してアノードに供給し、カソードに供給した酸素（空気）との反応により水の生成と共にアノード、カソード間に生じる電位差を利用して電力供給を可能とする。このアノード、カソード間に生じる電位差は、通常１Ｖ弱程度であるため、所望の電圧レベルが得られるように複数のセルを多段に設けた燃料電池スタックが用いられている。このような燃料電池システムの中でも、固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）を用いた燃料電池システムは、固体高分子電解質膜を介してアノードとカソードを設けた固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）が、高い出力密度が得られ、取り扱いが容易なことなどから、家庭用として特に注目を集めている。
【０００３】
かかる燃料電池を利用した燃料電池システムとしては、燃料ガスから水素を生成する改質装置、固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）、制御装置、交流変換装置、発電時に発生する熱を回収するため水タンクに収納する水を温水とする熱交換器や、この温水を貯留する貯留タンクなどを設けた熱回収装置などを備えたものが知られており、商用電源に連系するか、あるいは可搬型発電システムとして商用電源とは別個に使用されるものが開発されている。商用電源と連系して使用される燃料電池システムでは、起動時に商用電力を用いて、制御装置や補機類の駆動を行なう。ここで、商用電源に連系するとは、商用電源と相互接続することをいい、このようなシステムにおいて、電力消費量（負荷）が燃料電池の発電量より小さくなり、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源に流れ込む逆潮流現象を予防するため、余剰電力を的確に処理できるシステム（特許文献１）も報告されている。しかしながら、商用電源と連系して使用する発電システムにおいては、自然現象などの非常事態が発生し商用電力の供給が停止した場合には、燃料電池システムは起動することができず、発電することは不可能になる。一方、可搬型発電システムとしては、災害時に対応するために水素貯蔵タンクを積んだり、二次電池を設置したシステムが報告されている（特許文献２）。しかしこれらシステムは、都市ガスの供給が停止するような非常時において、発電を行なうバックアップ電源用であり、日常の家庭の電源として使用することは考慮されていない。
【特許文献１】特開２００４−２１３９８５号公報
【特許文献２】特開平８−２８７９３３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明は、電力需要サイドにおける要請である電力需要場所に近接し、いわゆるオンサイト化発電、過疎地・離島における発電、小電力発電、高発電変換効率化発電、クリーンエネルギー化発電等、いわゆる分散型発電による電源を商用電源と連系して使用することができ、商用電源と切断されても、自立運転や、自立起動が可能であり、災害時などの短絡事故を回避して、家庭への電力を供給することができ、家庭の消費電力の変動による余剰電力を適切に消費して安全運転ができる災害時対応型燃料電池システムを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明者らは、上記課題を達成すべく鋭意研究した結果、家庭用燃料電池システムにおいては、家庭の電力をまかなうために、平常時は、商用電力と接続し、災害時など、商用電力が停止したり、あるいは、短絡していたりする危険があるときは、商用電力と切り離して燃料電池を起動させ、燃料電池にコンセントを設け、家庭へ電力を供給するが、このとき、家庭における消費電力の変動に、即刻対応して発電することは困難なため、家庭における消費電力より過剰の発電を行ない、余剰電力は別途負荷装置で電力を消費することにより、非常時の対応が可能であって、平常時の電力供給においても、商用電源と併用した分散型電力供給を可能にできることの知見を得て、かかる知見に基づき、本発明をするに至った。
【０００６】
すなわち、本発明は、商用電源系統と連系し家庭へ電力を供給する非常時対応型燃料電池を備えた非常時対応型燃料電池システムであって、商用電源系統と解列したときは自立運転が可能である非常時対応型燃料電池システムに関し、好ましくは、商用電源系統と解列したときは発電装置を用いて起動可能であり、発電装置が、自動車に搭載した発電装置であり、非常時対応型燃料電池が自動車に搭載した発電装置との接続端子を有するものであり、商用電源系統と解列したときは非常時対応型燃料電池に設けたコンセントから家庭へ電力を供給することが可能である。また、本発明の非常時対応型燃料電池システムは、非常時対応型燃料電池と、該非常時対応型燃料電池と商用電源系統との連系、解列を制御する連系保護装置、非常時対応型燃料電池が商用電源系統と解列したときに非常時対応型燃料電池を起動する電力を供給する発電装置、非常時対応型燃料電池が商用電源系統と解列したときに非常時対応型燃料電池の発電電力を出力するコンセント、非常時対応型燃料電池の発電に伴う発熱の熱交換用の貯湯槽、および非常時対応型燃料電池の発電量が家庭における消費電力を上回る余剰電力を消費するための負荷装置を備えたことを特徴とする非常時対応型燃料電池システムに関する。
【発明の効果】
【０００７】
本発明は、電力需要サイドにおける要請である電力需要場所に近接し、いわゆるオンサイト化発電、過疎地・離島における発電、小電力発電、高発電変換効率化発電、クリーンエネルギー化発電等、いわゆる分散型発電による電源を商用電源と連系して使用することができ、商用電源と切断されても、自立運転や、自立起動が可能であり、災害時などの短絡事故を回避して、家庭への電力を供給することができ、家庭の消費電力の変動による余剰電力を適切に消費して安全運転ができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
本発明の非常時対応型燃料電池システムは、商用電源系統と連系し家庭へ電力を供給する非常時対応型燃料電池を備えた非常時対応型燃料電池システムであって、商用電源系統と解列したときは自立運転が可能であるものであれば、特に制限されるものではないが、例えば、非常時対応型燃料電池と、該非常時対応型燃料電池と商用電源系統との連系、解列を制御する連系保護装置、非常時対応型燃料電池が商用電源系統と解列したときに非常時対応型燃料電池を起動する電力を供給する発電装置、非常時対応型燃料電池が商用電源系統と解列したときに非常時対応型燃料電池の発電電力を出力するコンセント、非常時対応型燃料電池の発電に伴う発熱の熱交換用の貯湯槽、および非常時対応型燃料電池の発電量が家庭における消費電力を上回る余剰電力を消費するための負荷装置を備えたものとすることができる。
【０００９】
本発明の非常時対応型燃料電池システムに用いられる非常時対応型燃料電池としては、家庭への電力を供給できる発電を行なえるものであれば、いずれのものも使用することができ、例えば、電解質として、水酸化カリウム等を用いるアルカリ形燃料電池（ＡＦＣ）、電解質としてリン酸を用いるリン酸形燃料電池（ＰＡＦＣ）、電解質として高分子膜を用いる固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）、電解質として溶融炭酸塩を用いる溶融炭酸塩形燃料電池（ＭＣＦＣ）、電解質として安定化ジルコニア等の酸素導電性固体酸化物を用いる固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）などを挙げることができる。これらの内、小型であり、取扱いが容易な固体高分子形燃料電池が好ましい。
【００１０】
かかる固体高分子形燃料電池としては、炭化水素などの炭素含有の燃料ガスと水とを用いて燃料である水素を生成し、反応混合ガスから一酸化炭素を除去して水素を供給する改質装置を備え、セルに配置した固体高分子膜を介して設けられるアノードとカソードに、改質装置で生成された水素と空気とをそれぞれ供給して、水素と空気中の酸素の反応によりアノード、カソード間に生じる電位差を利用するものを挙げることができ、所望の電位差を得るため必要に応じて、セルを多段に設けたものが好ましい。このような固体高分子形燃料電池において水素の生成に用いられる炭素含有の燃料ガスとしては、平常時においては都市ガスを用い、非常時において後述する連系保護装置による商用電源と燃料電池との解列に伴い、可搬型のボンベや定置型のタンクなどに貯蔵される炭素含有燃料ガスに切り替えて使用することも可能であるが、平常時、非常時を問わず、可搬型または定置型貯蔵部に貯蔵される天然ガス、メタノール、ＬＰＧ、ブタン、ナフサ、灯油などの炭素含有燃料を用いることが、配管を必要としないため好ましい。
【００１１】
また、上記非常時対応型燃料電池には後述する自動車に搭載する発電装置により起動される際に、自動車に搭載する発電装置との接続端子を有するものが好ましい。接続端子はどのような形状であってもよい。
【００１２】
本発明の非常時対応型燃料電池システムに用いる連系保護装置は、非常時対応型燃料電池と商用電源系統との連系、解列を制御し、商用電源系統の通常の電力供給時においては、非常時対応型燃料電池を商用電源系統に連系させ、商用電源系統の停止時においては、非常時対応型燃料電池と商用電源系統との連系を解列させるものである。ここで、商用電源系統とは、商用電源をいい、商用電源系統との連系とは、商用電源との接続をいい、連系の解列とは、接続を切断することをいう。連系保護装置には、非常時対応型燃料電池からの直流を交流に変換して家庭へ交流電力を供給する直流／交流変換装置や、また、商用電源系統の交流を直流に変換して燃料電池に供給する交流／直流変換装置が備えられ、通常時、非常時対応型燃料電池が商用電源系統に連系しているとき、非常時対応型燃料電池が商用電源系統からの電力により起電され、非常時対応型燃料電池により発電された電力は家庭へ供給され、非常時対応型燃料電池の発電量が家庭における消費電力に対して不足する場合の不足分は商用電源系統から供給されるようにしてもよい。
【００１３】
また、連系保護装置には、非常時対応型燃料電池からの発電が商用電源系統へ逆潮流するのを防止する逆潮流継電器を設け、非常時対応型燃料電池の発電量が家庭における消費電力に対して過剰の場合、商用電源系統への悪影響を防止する構成としてもよい。更に、連系保護装置には、非常時対応型燃料電池の発電量と家庭における消費電力量とを比較検出する比較検出装置を設け、商用電源系統と燃料電池システムが連系している状態のとき、非常時対応型燃料電池の発電量が家庭における消費電力量より少ない場合は、商用電源系統から不足電力量を供給し、また、非常時対応型燃料電池の発電量が家庭における消費電力量より多い場合は、後述する負荷装置に非常時対応型燃料電池からの余剰電力を供給するようにしてもよい。あるいは、商用電源系統と非常時対応型燃料電池システムが連系している状態の場合は、家庭への電力供給は商用電源系統からの電力を主要電源とし、非常時対応型燃料電池の発電は行なわず、または補助的電力供給を行なうようにしてもよい。
【００１４】
また、本発明の非常時対応型燃料電池システムに使用される起動用の発電装置は、災害時において商用電源系統と解列した非常時対応型燃料電池を含むシステムを起動する電力を供給するものであり、かかる発電装置としては、直流発電機としてダイナモ、交流発電機としてオルタネーターなどの発電機、鉛蓄電池、リチウムイオン電池、リチウム系電池、ニッケル水素電池、ニカド電池、ポリマー電池、酸化銀電池、空気電池、アルカリ電池、マンガン電池などの化学電池や、太陽電池や、原子力電池などの物理電池を挙げることができ、電力を貯蔵する装置として、広くはキャパシターも適用可能である。
【００１５】
上記発電装置としては、自動車に搭載された発電装置を適用することができる。自動車に搭載された発電装置としては、自動車内で用いられる電気を発生するオルタネーターであることが好ましい。自動車搭載発電装置を上述の非常時対応型燃料電池に設けられた接続端子と接続し、非常時対応型燃料電池を起動させることができる。
【００１６】
また、本発明の非常時対応型燃料電池システムに用いられるコンセントは、非常時に商用電源系統と解列された非常時対応型燃料電池からの発電を出力するためのものであり、コンセントの形状は特に定めるものではないが、ＪＩＳ規格コンセントであることが好ましい。またコンセントの個数についても特に定めないが２個以上の複数であることが好ましい。
【００１７】
本発明の非常時対応型燃料電池システムに用いられる貯湯槽は、燃料電池の発電に伴う発熱の熱交換用水を貯蔵するものであり、非常時対応型燃料電池を包囲するように配置される循環路に接続されて設けられている。
【００１８】
本発明の非常時対応型燃料電池システムに使用される負荷装置は、非常時対応型燃料電池において家庭における消費電力以上に発電した場合の余剰電力を消費するための装置であり、余剰電力の有効利用を図ることができるものが好ましく、かかる負荷装置としては、ヒーターや照明装置などを挙げることができる。また上記貯湯槽内や、非常時対応型燃料電池システム本体内にヒーターを設けるなど、他の装置と一体化していてもよい。このような負荷装置は、非常時対応型燃料電池が商用電源系統と解列している場合に限らず、連系している場合であっても、非常時対応型燃料電池の発電量が消費電力を上回る余剰電力の有効利用を図るものであってもよい。
【００１９】
このような本発明の非常時対応型燃料電池システムは、平常時、商用電源系統に連系し、非常時対応型燃料電池は商用電源系統からの電力により起電され、非常時対応型燃料電池により発電された電力は家庭へ供給され、非常時対応型燃料電池の発電量が家庭における消費電力に対して不足する場合の不足分は商用電源系統から供給される。あるいは、平常時、商用電源系統に連系し、商用電源系統からの電力を家庭への主要電源として供給し、非常時対応型燃料電池の発電は行なわず、または非常時対応型燃料電池からの発電は補助的に供給してもよい。非常時対応型燃料電池の発電量が家庭における消費電力に対して過剰の場合、余剰電力を負荷装置に供給し、また、非常時対応型燃料電池の発電に伴う発熱を冷媒により熱交換し、余剰電力や発電に伴う発熱の有効利用を図ることができる。
【００２０】
災害時などの非常時においては、非常時対応型燃料電池と商用電源系統との連系が連系保護装置により解列され、非常時対応型燃料電池を発電装置により起動させ、家庭へその発電電力をコンセントから供給する。このとき、非常時対応型燃料電池に設けられる自動車に搭載した発電装置との接続端子を自動車に搭載する発電装置と接続して非常時対応型燃料電池を起動させることもできる。非常時対応型燃料電池の発電量に家庭における消費電力に対して余剰電力が生じる場合や、非常時対応型燃料電池の発電に伴う発熱は、連系時と同様に有効利用を図ることができ、商用電源系統と解列した非常時においても、安定して家庭への電力を供給することができる。
【実施例】
【００２１】
以下、本発明の非常時対応型燃料電池システムを、図面を参照して具体的に説明するが、本発明の技術的範囲はこれに限定されるものではない。
［実施例１］
本発明の非常時対応型燃料電池システムには、図１に示すように、非常時対応型燃料電池１、連系保護装置２、負荷装置３、発電装置４、貯湯槽５、コンセント６が備えられる。負荷装置としてヒーターを使用し、これを貯蔵槽内に組み込み、一体として構成する。平常時は商用電源と非常時対応型燃料電池を接続し、図中矢印で示すように、商用電源を用いて燃料電池システムの起動を行う。起動後発電した電力は、図２における矢印で示すように、家庭の負荷へ提供する。災害時は、図３に示すように、連系保護装置が燃料電池を商用電源と切断し、非常時対応型燃料電池の起動は発電装置を用いて、図中矢印で示すように、電力を供給して行なう。起動後発電した電力は、図４に示すように、非常時対応型燃料電池本体に付帯したコンセントからに家庭負荷へ出力され、余った電力は負荷装置で消費する。
［実施例２］
本発明の非常時対応型燃料電池システムには、図５に示すように、非常時対応型燃料電池１、連系保護装置２、負荷装置３、接続端子７、貯湯槽５が備えられる。負荷装置としてヒーターを使用し、これを貯湯槽内に組み込み、一体として構成する。平常運転時は商用電源と非常時対応型燃料電池を接続し、図中矢印で示すように、商用電源を用いて非常時対応型燃料電池システムの起動を行う。起動後発電した電力は、図６における矢印で示すように、家庭の負荷へ提供する。災害時は、図７に示すように、連系保護装置が非常時対応型燃料電池を商用電源と切断し、非常時対応型燃料電池の起動は自動車搭載の発電装置と非常時対応型燃料電池に設けられた接続端子を接続して、図中矢印で示すように、電力を供給して行なう。起動後発電した電力は、図８に示すように、非常時対応型燃料電池本体に付帯したコンセントから家庭負荷へ出力され、余った電力は負荷装置で消費する。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の非常時対応型燃料電池システムの実施例１における平常時の起動状態を示す図である。
【図２】本発明の非常時対応型燃料電池システムの実施例１における平常時の運転状態を示す図である。
【図３】本発明の非常時対応型燃料電池システムの実施例１における非常時の起動状態を示す図である。
【図４】本発明の非常時対応型燃料電池システムの実施例１における非常時の運転状態を示す図である。
【図５】本発明の非常時対応型燃料電池システムの実施例２における平常時の起動状態を示す図である。
【図６】本発明の非常時対応型燃料電池システムの実施例２における平常時の運転状態を示す図である。
【図７】本発明の非常時対応型燃料電池システムの実施例２における非常時の起動状態を示す図である。
【図８】本発明の非常時対応型燃料電池システムの実施例２における非常時の運転状態を示す図である。
【符号の説明】
【００２３】
１  非常時対応型燃料電池
２  連系保護装置
３  負荷装置
４  発電装置
５  貯湯槽
６  コンセント
７  接続端子
【図１】
2007179886.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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