(57)【要約】【課題】既存の燃料電池システムでは、家庭内等で運用される水素を、必要とする場所へ適宜供給することができないため、効率的な水素エネルギーの利用ができない。【解決手段】燃料電池と、燃料電池で利用される水素を供給する水素供給部と、水素供給部に接続され燃料電池に水素を配送する水素配送設備と、を備えた燃料電池システムであり、水素配送設備が、燃料電池自動車に備えられた第１の水素貯蔵部との接続口を備える燃料電池システムを提供する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池と、
前記燃料電池で利用される水素を供給する水素供給部と、
前記水素供給部に接続され前記燃料電池に水素を配送する水素配送設備と、
を備え、
前記水素配送設備は、燃料電池自動車に備えられた第１の水素貯蔵部との接続口を備えた、
燃料電池システム。
【請求項２】
前記水素供給部は、水素を生成する水素生成部を備えた、
請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記水素生成部は、水の電気分解または炭化水素の改質により水素を生成する、
請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記水素供給部は、光触媒反応を用いた水分解により水素を生成する光水素生成装置と、
前記水素を貯蔵することができる第２の水素貯蔵部と、を備えた、
請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記光水素生成装置は、半導体材料を含む第一の電極と、前記第一の電極と電気的に接続された第二の電極と、水を含む電解液と、前記水を含む電解液を保持する筐体と、を有する
請求項４に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記水素配送設備の運転を制御する制御部をさらに備え、
前記制御部は、前記水素供給部から供給された水素を、前記燃料電池または前記第１の水素貯蔵部へ配送するように前記水素配送設備を制御する通常運転モードを備えた、
請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記水素配送設備の運転を制御する制御部をさらに備え、
前記制御部は、前記第１の水素貯蔵部に貯蔵された水素を、前記第１の水素貯蔵部から前記接続口を介して前記燃料電池へ配送するように前記水素配送設備を制御する非常運転モードを備えた、
請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記非常運転モードは、前記第１の水素貯蔵部に貯蔵された水素を、前記第１の水素貯蔵部から前記接続口を介して前記第２の水素貯蔵部へ配送するように前記水素配送設備をさらに制御する、
請求項７に記載の燃料電池システム。
【請求項９】
前記制御部は、前記水素供給部から供給された水素を、前記燃料電池または前記第１の水素貯蔵部へ配送するように前記水素配送設備を制御する通常運転モードをさらに備え、前記燃料電池システムの運転モードを、所定の条件により、前記通常運転モードと前記非常運転モードのいずれかのモードに切り替える
請求項７に記載の燃料電池システム。
【請求項１０】
前記所定の条件は、前記水素供給部から前記水素配送設備に水素が供給されない場合であって、前記第１の水素貯蔵部の水素残量があらかじめ設定した設定値を超えているときに、前記通常運転モードから前記非常運転モードに切り替えることである
請求項９に記載の燃料電池システム。
【請求項１１】
前記所定の条件は、さらに、前記第１の水素貯蔵部の水素の残量があらかじめ設定した設定値以下となったときに、前記非常運転モードから前記通常運転モードに切り替えることである
請求項１０に記載の燃料電池システム。
【請求項１２】
前記燃料電池は、発電時に生じる排熱を回収する熱回収装置をさらに備える
請求項１に記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、家庭内等における水素の運用性を高めることにより、ユーザの利便性を高め、水素エネルギーを高効率に利用することができる、燃料電池システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
水素は、以下の性質から最も環境負荷の小さい究極のエネルギーであり、水素をエネルギー基盤とした社会インフラに向けて、各要素技術の研究開発が進められている。
・燃料電池を利用することで電気や熱に変換できる。
・水分解によって無尽蔵に得られる。
・燃やしても最終生成物は無害で安全な水となり、クリーンである。
【０００３】
近年、燃料電池コージェネレーションシステムの普及が急速に広がっている。このシステムは都市ガスを改質して得た水素と空気中に含まれる酸素から、家庭等に設置された燃料電池で発電し、発電時の排熱を給湯や床暖房などに利用して水素エネルギーを高効率に利用するシステムである。
【０００４】
また、自動車メーカー各社は、ガソリンの代わりに水素を燃料とする燃料電池自動車（ＦＣＶ）の開発に注力しており、近い将来には一般消費者への普及することが予想される。
【０００５】
以上のように、水素エネルギーの本格的な実用化に向けて、水素の生成、貯蔵、充填、消費の各分野に関して、要素技術の開発が行われており、例えば、燃料電池自動車に搭載された水素貯蔵設備への水素充填設備や、家庭の非常用電源として燃料電池自動車を利用する送配電システムなどが、以下の文献で提案されている。
【０００６】
しかし、以下の文献含め、家庭内で使用する水素の運用性を向上するための最適化された燃料電池システムに関する提言は、現時点では見当たらない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００６−２０７７８５号公報
【特許文献２】特開２００５−１６８２５８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
現在普及が広がっている燃料電池システムは、ほとんどの場合、燃料電池への水素の供給源が１つに限られている。そのため、災害時などに水素の供給源が断たれてしまうと、燃料電池に水素を供給することができないため、発電を行うことができない。例えば、水素の供給源が、都市ガスの改質より得られた水素であるとき、都市ガスは地中配管であるために災害後の点検が困難であり、電気に比べて復旧に時間を要するが、この間、ユーザは都市ガスのラインが復旧するのを待つほかはない。
【０００９】
また、水素の供給源は、燃料電池へと供給される経路しか構築されていないため、例えば、燃料電池自動車の水素残量が減った場合に水素を充填する、といった運用ができない。
【００１０】
以上のように、既存の燃料電池システムでは家庭内等で運用される水素を、必要とする場所へと適宜供給することができない、という課題を有していた。
【００１１】
本発明は、上記問題点を解決するもので、家庭内等における水素の運用性を高めることにより、ユーザの利便性を高め、水素エネルギーをより効率的に利用できる燃料電池システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
従来の課題を解決するために、本発明の燃料電池システムは、燃料電池と、燃料電池で利用される水素を供給する水素供給部と、水素供給部に接続され燃料電池に水素を配送する水素配送設備と、を備えた、燃料電池システムであり、水素配送設備が、燃料電池自動車に備えられた第１の水素貯蔵部との接続口を備える。
【００１３】
本構成によって、水素供給部から水素配送設備に供給された水素を、燃料電池と燃料電池自動車のいずれにも供給・充填すること、および、燃料電池自動車に貯蔵された水素を燃料電池等に供給することが可能となる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の燃料電池システムは、水素供給部から水素配送設備に供給された水素を、燃料電池自動車に充填することができる。よって、ユーザが燃料電池自動車を使用するにあたって、水素ステーションなど外部の水素供給システムを利用する必要がなく、利便性が向上する。また、災害など何らかの理由で水素供給部が断たれた事態には、非常用として燃料電池自動車に貯蔵された水素を燃料電池へ供給し、電力を賄うことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の実施の形態１における燃料電池システムの構成を示す概略図である。
【図２】本発明の実施の形態１における燃料電池システムの通常運転モードの動作を示すフローチャートである。
【図３】本発明の実施の形態１における燃料電池システムの非常運転モードの動作を示すフローチャートである。
【図４】本発明の実施の形態２における燃料電池システムの構成を示す概略図である。
【図５】光水素生成装置に用いられる水素生成デバイスの一構成例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の実施の形態について、図１を参照しながら詳細に説明する。
【００１７】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における燃料電池システムの構成を示す図である。図１において燃料電池１１と、燃料電池１１で利用される水素を供給する水素供給部１２と、燃料電池自動車１３に備えられた第１の水素貯蔵部１４は、燃料電池に水素を配送する水素配送設備１５と、配管１６と、第１の水素貯蔵部１４との接続口１７と、を介して、それぞれ接続されている。
【００１８】
水素供給部１２には、例えば水の電気分解または炭化水素の改質により水素を生成する、水素生成部（図示せず）が備えられている。
【００１９】
燃料電池自動車１３は、燃料電池システムに接続されている場合と接続されていない場合があるが、接続口１７は、接続の有無を検知する機能を備えており、かかる情報を制御部１８へと送る。
【００２０】
燃料電池自動車１３は、充填された水素の残量を検知する水素残量検知器１９を備え、燃料電池自動車１３が燃料電池システムに接続されると、水素残量を制御部１８に伝える。これらの構成により、制御部１８は燃料電池自動車１３の接続の有無と、第１の水素貯蔵部１４に充填されている水素貯蔵量を把握することができる。
【００２１】
燃料電池１１は、廃熱を回収する熱回収装置と、回収した熱をお湯として貯める貯湯タンクと、を備えているのが好ましく、さらに貯湯タンクには、貯湯タンク内の湯水で対応できない場合に加熱する、バックアップ熱源機を備えているのが好ましい。
【００２２】
水素配送設備１５は、水素を配送可能な機構であれば特に限定されないが、例えば金属配管と水素を移動・充填させるための水素圧縮機などで構成するとよい。それぞれを接続する配管には、流速制御バルブ、流速制御装置、流速モニター、などを設けるとよい。
【００２３】
燃料電池システムの運転モードは、通常運転モード、水素充填モードと、非常運転モードと、の３種類が用意されており、ユーザが自由に設定することができる。
【００２４】
図２は、本発明の実施の形態１における燃料電池システムの通常運転モードの動作を示すフローチャートである。通常運転モードの場合、水素配送設備１５は、水素供給部１２を通して得られる水素を燃料電池１１へ供給するように制御される。また、燃料電池自動車１３が接続されている場合、その水素残量を水素残量検知器１９により検知し、あらかじめ設定した残量以下の場合には、自動で水素を第１の水素貯蔵部１４へと充填する。以上のように動作を制御することで、ユーザは家庭内で消費する電力を燃料電池１１から得られ、燃料電池自動車１３も自動的に水素が充填されるため、利便性が高まる。
【００２５】
水素充填モードは、燃料電池自動車１３が接続している場合にのみ選択できるモードである。燃料電池自動車１３の第１の水素貯蔵部１４に、設定した量だけ水素を充填することができる。通常運転モードにおいて自動的に充填される水素残量の閾値よりは多いが、遠出などを控え、水素充填量を満タンにしたい場合などに選択する。
【００２６】
図３は、本発明の実施の形態１における燃料電池システムの非常運転モードの動作を示すフローチャートである。非常運転モードは、災害など何らかの理由で都市ガスが供給されないといった、水素供給部１２から水素を供給できない事態に選択するモードであり、燃料電池自動車１３が接続している場合に選択できる。水素配送設備１５は、燃料電池自動車１３に貯蔵された水素を燃料電池１１へ供給し、家庭内で必要な電力を発電することができる。
【００２７】
ユーザは燃料電池自動車１３に充填された水素の残量がいくらになるまで、燃料電池自動車１３から燃料電池１１へ供給し続けるかを設定できる。値を設定する際に参考にするため、制御部１８は燃料電池自動車１３の水素残量を水素残量検知器１９により検知し、モニターなどでユーザに知らせるとともに、設定した値まで燃料電池１１が発電した場合の、総電力量と、燃料電池自動車１３が残った水素で走行できる距離の目安と、を表示する機能があるのがよい。総電力量に関しては、エアコン、テレビ、冷蔵庫、など、具体的な家電製品の利用可能時間を併記するのがよい。一般的な燃料電池自動車は、水素が満タンに貯蔵されている場合、一般家庭が使用する電力の約１０日分程度を発電できるので、非常用電源として利用価値は高い。
【００２８】
以上の構成により、本実施の形態における燃料電池システムでは、燃料電池自動車で発電した電力を家庭等に供給するのではなく、水素自体を供給して、燃料電池で発電するため、発電する際に生じる排熱を回収する熱回収装置を備えていれば、給湯などに排熱を利用することができるため、水素のエネルギー利用効率を最大限に高めることができる。
【００２９】
（実施の形態２）
図４は、本発明の実施の形態２における燃料電池システムの構成を示す概略図である。図４において、燃料電池１１と、水素供給部１２と、燃料電池自動車１３に備えられた第１の水素貯蔵部１４は、水素配送設備１５と、配管１６と、燃料電池自動車の第１の水素貯蔵部１４との接続口１７と、を介して、それぞれ接続されている構成は、実施の形態１と同様である。
【００３０】
本実施の形態においては、水素供給部１２には、太陽光エネルギー等による光触媒反応を用いた水分解により水素を生成する光水素生成装置２０と、生成した水素を貯蔵することができる第２の水素貯蔵部２１が備えられている。
【００３１】
図５は、光水素生成装置２０を構成する水素生成デバイス１００の一構成例を示す図である。水素生成デバイス１００は、半導体電極（第１電極）１０１と、対極（第２電極）１０２と、半導体電極１０１と対極１０２とを電気的に接続する外部回路１０３と、を備える。これらは、筐体１０４の内部に収容されている。半導体電極１０１は、光触媒として機能する光触媒性半導体を含んでいればよい。例えば、半導体電極１０１は、導電基板と、当該導電基板上に設けられた、光触媒として機能する光触媒性半導体の層と、によって形成されることができる。
【００３２】
半導体電極１０１に含まれる光触媒性半導体は、必ずしも単相の半導体である必要はなく、複数種類の半導体からなる複合体でもよい。対極１０２は、金属及び炭素材料等の導体物質から形成されていてもよいし、導電基材に金属が担持された構造を有していてもよい。ここで、外部回路１０３は、必ずしも設けられなくてもよい。半導体電極１０１と対極１０２とが直接接している場合等、外部回路１０３を用いずに半導体電極１０１と対極１０２との電気的な接続が得られる場合は、外部回路１０３を設ける必要はない。また、半導体電極１０１と対極１０２との間には、バイアスを印加できるような機構が設けられていてもよい。
【００３３】
水素生成デバイス１００の筐体１０４の内部には、少なくとも分解に用いられる水を含んだ電解液（後述の第１電解液１０６及び第２電解液１０７）が、さらに収容されている。筐体１０４の内部は、電解液を循環させるための循環経路（図示せず）と連通している。したがって、電解液は、筐体１０４の内部を流通している。電解液は、水素生成を効率的に行なうために、支持電解質、酸化還元材料、犠牲試薬及びｐＨ調整材料等を含んでいてもよい。
【００３４】
筐体１０４の半導体電極１０１側の面の一部は、太陽光を透過する部材で構成されている。また、筐体１０４は、半導体電極１０１が効率的に太陽光を受光することが可能となるような角度、もしくは、例えば建築物の屋根等の設置する面の勾配に合わせて設置されることが望ましい。
【００３５】
筐体１０４において、半導体電極１０１と対極１０２との間には、セパレータ１０５が配置されている。このセパレータ１０５は、筐体１０４内部を、半導体電極１０１側の領域と対極１０２側の領域とに分離している。セパレータ１０５によって、電解液は、半導体電極１０１の表面と接する第１電解液１０６と、対極１０２の表面と接する第２電解液１０７とに分割される。セパレータ１０５は、電解液に含まれるイオンは透過するが、気体は遮断するような材質からなっていることが好ましい。セパレータ１０５で筐体１０４内を半導体電極１０１側の領域と対極１０２側の領域とに分離することにより、生成した水素ガスおよび酸素ガスが混合することが防止される。
【００３６】
第１電解液１０６は、第１電解液導入口１０８より筐体１０４の内部に導入される。半導体電極１０１に含まれる光触媒性半導体がｎ型半導体の場合、半導体電極１０１に太陽光が照射されると、第１電解液導入口１０８より導入された第１電解液１０６中の水の一部は、半導体電極１０１上で以下の反応式（１）の反応に用いられる。その結果、酸素が生成する。一方、励起された電子は、半導体電極１０１を構成する導電基板及び外部回路１０３を伝導して、対極１０２上で以下の反応式（２）の反応に用いられる。その結果、水素が生成する。
【００３７】
半導体電極１０１上で発生した酸素は、第１電解液１０６と共に、第１電解液導出口１０９から筐体１０４の外部へ導出される。なお、筐体１０４に酸素を導出する機構を設けて、この機構を利用して、半導体電極１０１上で発生した酸素を筐体１０４の外部に導出することも可能である。このとき、酸素は無害であるため、そのまま大気中へと放出しても大気汚染などの心配はない。
【００３８】
４ｈ＋＋２Ｈ２Ｏ  →  Ｏ２↑＋４Ｈ＋      （１）
４ｅ−＋４Ｈ＋  →  ２Ｈ２↑      （２）
一方、対極１０２と接する第２電解液１０７は、第２電解液導入口１１０から、筐体１０４の内部に導入される。導入された第２電解液１０７中の水の一部は、対極１０２上で反応式（２）の反応に用いられる。その結果、水素が生成する。第２電解液１０７は流動しており、第２電解液導出口１１１から筐体１０４の外部へと導出される。
【００３９】
対極１０２上で発生した水素は、第２電解液１０７と共に、第２電解液導出口１１１から筐体１０４の外部へ導出される。なお、筐体１０４に水素を導出する機構を設けて、この機構を利用して、対極１０２上で発生した水素を筐体１０４の外部に導出することも可能である。筐体１０４から導出された水素は、第２の水素貯蔵部２１に貯蔵される、もしくは、水素配送設備１５へと供給される。
【００４０】
また、半導体電極１０１に含まれる光触媒性半導体がｐ型半導体の場合、半導体電極１０１上では反応式(２)の反応により水素が、対極１０２上では反応式（１）の反応により酸素が、それぞれ発生する。
【００４１】
以上の構成により、本実施の形態における燃料電池システムでは、水素供給部１２に光水素生成装置２０を備えていることにより、都市ガスなどのインフラに接続されていない独立した状況においても、太陽光エネルギー等を用いて水素を自ら生成することができるため、かかる水素を、家庭内等の燃料電池や燃料電池自動車に供給することが可能となる。
【００４２】
また、水素供給部１２に第２の水素貯蔵部２１を備えているため、光水素生成装置２０で生成された水素を貯蔵しておくことができるとともに、夜間や天候によって太陽光エネルギーを受けられずに貯蔵された水素の残量がなくなってしまった場合であっても、燃料電池自動車に備えられた第１の水素貯蔵部１４から、水素配送設備１５を介して、第２の水素貯蔵部２１に水素を供給し貯蔵することも可能となる。
【００４３】
ここで、第２の水素貯蔵部２１は、光水素生成装置２０が存在しない場合においても、燃料電池自動車に備えられた第１の水素貯蔵部１４に貯蔵された水素を、家庭内で貯蔵できるという点でも有用である。
【００４４】
以上により、本発明の燃料電池システムによれば、水素供給部から水素配送設備に供給された水素を、燃料電池自動車に充填することができる。よって、ユーザが燃料電池自動車を使用するにあたって、水素ステーションなど外部の水素供給システムを利用する必要がなく、利便性が向上するとともに、災害など何らかの理由で水素供給部が断たれた事態には、非常用として燃料電池自動車に貯蔵された水素を燃料電池へ供給し、電力を賄うことが可能となる。
【００４５】
また、本発明の燃料電池システムでは、燃料電池自動車で発電した電力を家庭に供給するのではなく、水素自体を供給して、燃料電池で発電するため、発電する際に生じる排熱を回収する熱回収装置を備えていれば、給湯などに排熱を利用することができるため、水素のエネルギー利用効率を最大限に高めることができる。
【産業上の利用可能性】
【００４６】
本発明における燃料電池システムと燃料電池自動車を利用することにより、水素の運用性・利便性とエネルギーの利用効率を向上させることができる。特に、災害等の理由で水素の供給が断たれた場合に、燃料電池自動車を非常用の水素供給源として活用することができ、電力を賄うとともに排熱を利用することが可能となるため、非常用電源等としても利用価値が高い。
【符号の説明】
【００４７】
１１    燃料電池
１２    水素供給部
１３    燃料電池自動車
１４    第１の水素貯蔵部
１５    水素配送設備
１６    配管
１７    接続口
１８    制御部
１９    水素残量検知器
２０    光水素生成装置
２１    第２の水素貯蔵部
１００    水素生成デバイス
１０１    半導体電極
１０２    対極
１０３    外部回路
１０４    筐体
１０５    セパレータ
１０６    第１電解液
１０７    第２電解液
１０８    第１電解液導入口
１０９    第１電解液導出口
【図１】
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【図２】
2013197076.tif 000004
【図３】
2013197076.tif 000005
【図４】
2013197076.tif 000006
【図５】
2013197076.tif 000007