(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸素を含む酸化剤を正極に供給し、水素を含む燃料ガスを負極に供給して発電する燃料電池と、前記燃料電池と電気的に接続した蓄電池とを備え、前記蓄電池の過充電反応により発生する水素を前記燃料電池の負極に供給する経路を有する燃料電池システム。
【請求項２】
燃料電池の運転時に前記燃料電池の出力が負荷に対して過剰になった時、過剰電力を蓄電池に入力させて過充電反応を行う請求項1に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
燃料電池の運転停止時に、前記燃料電池の負極に残存する燃料を酸素を含まないパージガスにより前記燃料電池内部から排出する時に生じる電力を蓄電池に入力させて過充電反応を行う請求項1に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
外部電力と系統連系して前記燃料電池の発電電力の過不足を調整するとともに、前記外部電力を用いて前記蓄電池で過充電反応を行う請求項1に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
水素貯蔵部を燃料電池と蓄電池との間に設け、前記蓄電池の過充電反応で発生した水素を前記水素貯蔵部に貯蔵するとともに、負荷にたいして前記燃料電池出力が不足する場合、貯蔵した水素を前記燃料電池の負極に供給して出力を増加する請求項1〜4のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項６】
酸素貯蔵部を燃料電池と蓄電池との間に設け、前記蓄電池の過充電反応で発生した酸素を前記酸素貯蔵部に貯蔵するとともに、負荷電力にたいして前記燃料電池出力が不足する場合、貯蔵した酸素を前記燃料電池の正極に供給して出力を増加する請求項1〜4のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項７】
少なくとも炭素を含む燃料と水を反応させて炭酸ガスと水素を主成分とする改質ガスを発生する水素生成装置と、前記改質ガスを用いて発電する燃料電池と、前記燃料電池と電気的に接続した蓄電池と、前記燃料電池と前記蓄電池の間に前記蓄電池の過充電反応で発生した水素および／または酸素の貯蔵部とを備え、前記改質ガスを用いる発電サイクルと、前記貯蔵部の水素および／または酸素を用いた発電サイクルとを有する燃料電池システム。
【請求項８】
酸化剤を正極に、水素を含む燃料を負極に供給して発電する燃料電池と、前記燃料電池と電気的に接続した蓄電池とを備え、前記燃料電池の発電時に生成する水を用いて蓄電池の過充電反応による電解水の減少分を補う燃料電池システム。
【請求項９】
蓄電池の過充電反応により前記蓄電池の正極から発生した酸素を燃料ガスに混合して前記燃料電池の負極に供給する請求項1〜5のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項１０】
さらに、前記蓄電池の負極から発生した水素を燃料ガスに追加混合して燃料電池の負極に供給する請求項9に記載の燃料電池システム。
【請求項１１】
蓄電池が液式鉛蓄電池である請求項1〜10のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項１２】
燃料電池が固体高分子型、ダイレクトメタノール型、および固体電解質型のいずれかである請求項1〜11のいずれかに記載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、燃料電池と蓄電池とを用いた燃料電池システムで、特に家庭や工場でのコジェネレーションを含む自家発電に利用される燃料電池システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
エンジン、ガスタービン、燃料電池などの発電機を自家発電に利用する時、これらの発電機は負荷に敏速に応答する電力制御ができないため、電力の過不足が生じる。自家発電設備と商用電力と負荷を系統連系して、自家発電電力の過不足を解消する手段がある。ピーク負荷より小さな発電設備として設備コストを低くできるメリットがある。しかし、系統連系を通じて電力会社と売買する場合、電力会社から購入する料金は高く、電力会社へ売る料金は極めて低いのが一般的である。このため、現在の電力価格体系では、自家発電の過不足を解消するため売買電力が増えれば自家発電の経済的なメリットは小さくなる。
【０００３】
電力過不足を解消する他の手段として、例えば特開平０５ー１８２６７５のように蓄電池を用いて電力を貯蔵する手段もある。発電が負荷を上回った場合は充電し、不足する場合は放電することで電力過不足の問題を解決する。この方法は電力会社との過不足電力の売買がないため、自家発電の経済性は改善される。しかし、ピーク負荷に対応するには大きな蓄電池が必要となり、設備費が高くなるという新たな課題が生じる。このため、さらにこの方法に系統連系を併用し、電力会社との売買電を抑制しつつ、設備の小型化と稼働率を高める方法も多く採用されている。
【０００４】
一方、高効率発電機として燃料電池が注目されている。特に、70℃という低温で動作する固体高分子型燃料電池は発電量の増減が可能であり、水素を燃料ガスとする時は電気自動車への利用が期待されるほど応答性が高い。しかし、自家発電では天然ガスや石油を原料に燃料電池用の水素をつくる必要があるが、この水素生成プロセスの水素生成量を高速に制御することは困難である。したがって、発電部が応答性の高い高分子型燃料電池であっても、システム全体としては負荷変化に追従して運転制御することは困難である。
【０００５】
発電機や蓄電池の技術的問題、あるいは料金体系の問題などのために、自家発電における発電量の過不足という課題は解決されていない。このことが燃料電池を用いた自家発電がホテルや半導体工場のように負荷変動が少ない用途のみ普及し、家庭や店舗など負荷変動の激しいところには殆ど利用されていない原因となっている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
燃料電池を用いた自家発電で電力過不足が生じる原因の一つは、水素生成プロセス制御の熱応答が遅いことに由来する。燃料電池自体の発電量制御の応答速度は早いが、炭化水素を改質して水素とする水素生成部の増減変化は速く出来ない。この燃料電池に蓄電池を利用し、応答性の課題を補おうとすると、蓄電池自身に技術課題が生じる。すなわち、家庭で自家発電をすると、電力負荷が頻繁かつ大幅に変動し充放電が１日に数１０回から数１０００回生じ、かつ放電深度が大きいため蓄電池の劣化が激しくなるという課題である。
【０００７】
さらに蓄電池には、満充電前後に過充電反応により爆発しやすい水素が発生する課題、あるいはその反応により蓄電池の電解質の水が減少し蓄電容量が少なくなるという課題もある。
【０００８】
一方、燃料電池にも改善すべき新たな課題が生じる。すなわち、水素生成プロセスで水素生成量を増減した時に増加するＣＯで、燃料電池の触媒が被毒する課題である。この解決も発電システムの応答性を確保するために必要となる。
【０００９】
以上の課題を蓄電池単独、あるいは燃料電池単独で個別に改良することも可能であるが、本発明は燃料電池と蓄電池を結合しシステム化する中で解決する方策を提供するものである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため第１の本発明の燃料電池システムは、燃料電池の電力で蓄電池を充電した時に発生する水素の危険性を回避すること、および蓄電池の耐久性を改善するために、蓄電池で過充電反応を行い充電時に発生する水素を燃料電池の負極に供給し燃料電池で消費することを特徴とする。
【００１１】
また、第１の本発明において、蓄電池に過充電する電力を得る手段として、燃料電池の出力よりも負荷電力が低下した時に燃料電池の出力の少なくとも一部を用いて蓄電池に充電する方法、あるいは燃料電池の運転停止時に燃料電池の負極に残存する燃料ガスをパージガスにより燃料電池内部から流出させる時に生じる電力を用いる方法、あるいは燃料電池と蓄電池を有する装置と外部電力を系統連系し、蓄電池の充電を外部電力で行うといった方法を用いると有効である。
【００１２】
また、第１の本発明において、負荷の急変に応答するために、水素貯蔵部を燃料電池と蓄電池の間に設け、前記蓄電池の充電で発生した水素を前記水素貯蔵部に貯蔵するとともに、負荷電力に対して燃料電池出力が不足する場合、貯蔵した水素を前記燃料電池に供給して出力を増加させる運転を行うと有効である。
【００１３】
また、第１の本発明において、酸素貯蔵部を燃料電池と蓄電池の間に設け、前記蓄電池の過充電で発生した酸素を前記酸素貯蔵部に貯蔵するとともに、負荷電力にたいして燃料電池出力が不足する場合、貯蔵した酸素を前記燃料電池に供給して出力を増加させる運転を行うと有効である。
【００１４】
また、第１の本発明において、燃料電池の耐ＣＯ性を改善するために、蓄電池の過充電反応により蓄電池の正極から発生した酸素を燃料ガスに混合して燃料電池の負極に供給すると有効である。
【００１５】
また、第１の本発明において、蓄電池の過充電反応により蓄電池の負極から発生した水素と蓄電池の正極から発生した酸素を燃料ガスに混合して燃料電池の負極に供給すると有効である。
【００１６】
また、第２の本発明の燃料電池システムは、ＣＯによる発電量低下を防止するため、炭酸ガスと水素を主成分とする改質ガスを発生する水素生成装置と、前記改質ガスを用いて発電する燃料電池と、前記燃料電池と電気的に接続した蓄電池と、燃料電池と蓄電池の間に前記蓄電池の過充電反応で発生した水素および／または酸素の貯蔵部とを備え、改質ガスを用いた発電サイクルと、貯蔵部の水素および／または酸素を用いた発電サイクルとを行うことを特徴とする。
【００１７】
また、第３の燃料電池発電システムは、蓄電池の水補充の手間を省くために、燃料電池の発電時に生成する水を用いて蓄電池の過充電反応による電解水の減少分を補給することを特徴とする。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を、図１〜図4とともに説明する。図１に多数の発電セルを直列に積層した燃料電池1００の断面を示す。セルの中心に高分子の電解質膜1０１があり、その両側にPt触媒と炭素粉末を混合した水素電極（負極）1０2と空気電極（正極）1０3がある。電極の両側の炭素製セパレータ1０4には水素流路1０5と空気流路1０6が設けられ、さらにこの両側に冷却水流路1０7が形成されている。このような構成で約0.8Ｖの起電力を持つセルとなる。セルを直列に多数積層し電圧を高める。積層したセルの両端は正極集電板１０８、負極集電板１０９である。両集電板の外側には絶縁板１１０を介して端板１１１が設けられ、二つの端板１１１は互いにボルト（図示せず）で結合され各セルが押圧され密着している。
【００１９】
燃料ガスの水素は水素電極1０2のPt触媒で水素イオンH+と電子に解離し、H+は電解質膜1０1を通り空気電極1０3に移動する。一方、電子は外部負荷１１２を巡り空気電極1０3へ達する。そして、空気電極1０3のPt触媒に電子を供給しH+と酸素を結合して水を生成する。この電子と水素イオンの伝播が継続することが発電状態である。
【００２０】
ところが、燃料電池のＰｔ触媒は微量のＣＯを吸着すると発電出力が低下するという好ましくない性質を持つ。とくに、低温で動作するがゆえにＣＯ吸着しやすい固体高分子型燃料電池ではこの問題は重大である。したがって、後述の天然ガス等の燃料から改質水素を作る水素生成プロセスで生成する水素にＣＯが２０ｐｐｍ以上含まれてはならない。
【００２１】
図２は液式の鉛蓄電池２００の断面を示す。電槽2０1の中に硫酸水溶液である電解液２０２が入れられ、その中に正極板２０３と負極板２０４が設けられている。正極板２０３と負極板２０４との間には電極の短絡を防止するセパレータ２０５が設けられ、正極板２０３の上部は酸素ガス室２０６として負極板２０４上部の水素ガス室２０７とを区画する。それぞれの正極板２０３を含む酸素ガス室２０６は図示していないが連通している。過充電反応で発生する酸素と水素の出口として水素排気栓２０８、酸素排気栓２０９が蓋２１０に設けられている。蓋２１０には正極端子２１１、負極端子２１２が設けられている。また、蓋２１０には水の補充栓２１３と電解液のレベル検知部２１４が設けられている。
【００２２】
次に、充放電の反応機構を説明する。放電時、正極板２０３では二酸化鉛が電子を受け取り硫酸と反応して硫酸鉛となる。負極板２０４では鉛が硫酸と反応して硫酸鉛になり電子を放出する。
【００２３】
具体的には、正極での放電反応は、下式のようになる。
【００２４】
【化１】
0003804543.tif 000002
【００２５】
一方、負極での放電反応は、下式のようになる。
【００２６】
【化２】
0003804543.tif 000003
【００２７】
充電時は正極板２０３では硫酸鉛が水と反応して二酸化鉛と硫酸を生じて電子を分離し、負極板２０４では硫酸鉛が電子を受け取り、鉛と硫酸になる。
【００２８】
具体的には、正極での充電反応は、下式のようになる。
【００２９】
【化３】
0003804543.tif 000004
【００３０】
一方、負極での充電反応は、下式のようになる。
【００３１】
【化４】
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【００３２】
蓄電池２００の充電時に比重の大きな硫酸は電解槽２０１の下方に沈み、電解液に濃度差が生じる。電解液２０２に濃度差が生じると電極が劣化し、これにより蓄電池容量が低下し長期使用に耐えないという問題が生じる。外部にポンプを設けて電解液２０２を攪拌する方法もあるが、複雑な蓄電池となり経済的ではない。
【００３３】
両極から硫酸鉛が少なくなると充電は終了する。更に電極に電圧を印加し続けると過充電状態になり、水の電気分解により正極板で酸素が負極板で水素が発生する。実際には充電状態から過充電状態への移行時は両反応が共存し、充電時も副反応として水の電気分解が進行している。
【００３４】
具体的には、正極での過充電反応は、下式のようになる。
【００３５】
【化５】
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【００３６】
一方、負極での過充電反応は、下式のようになる。
【００３７】
【化６】
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【００３８】
このように、鉛蓄電池での充電では過充電反応で水素と酸素が発生し、爆発しやすく危険である問題を持つ。
【００３９】
（実施の形態１）
図３は本発明の実施の形態における燃料電池システムのブロック図である。燃料ガスとなる改質水素を作る水素生成プロセスは改質部３００、変成部４００、CO浄化部５００の３つの反応部で成り立つ。改質部３００は気化器３０１、改質触媒槽３０２、燃焼器３０３で構成されている。天然ガスの燃料パイプ３０４、水パイプ３０５が気化器３０１を通じて改質触媒３０２に接続している。燃焼器３０３は天然ガスを供給する燃料パイプ３０４と排燃料ガスを供給する排燃料ガス管３０６、点火電極（図示せず）、排気部３０７、燃焼空気用の送風機３０８、ガス流量制御部３０９を具備している。また、燃料パイプ３０４にはバルブＢ10を介して窒素ボンベ３１０が設けられている。
【００４０】
改質部３００の下流に接続された変成部４００には、白金触媒を担持した変成触媒４０１と予熱ヒータ４０２が設けられている。ＣＯ浄化部５００にはＣＯ浄化反応用空気が空気ポンプ５０１により経路に注入される。また、モルデナイト−Ｐｔ等のＣＯ浄化触媒５０２の予熱ヒータ５０３が設けられている。ＣＯ浄化部５００の下流と燃料電池１００は燃料ガス管５０４で接続し、ＣＯ浄化部５００と燃焼器３０３はバイパス５０５で連通する。
【００４１】
送風機６００により大気は全熱交換器６０１を通過して燃料電池１００の空気流路１０６に供給される。全熱交換器６０１の中では大気と燃料電池１００から出る排空気とが多数積層している親水性膜（図示せず）を介して全熱交換を行う。燃料電池1００の排燃料ガスは凝縮器７０１を通じて燃焼器３０３に排燃料ガス管３０６により接続する。全熱交換器６００の出口から出てきた排空気は凝縮器７０２を通じて排出される。凝縮器７０１、７０２の下部と凝縮水タンク７０３が連通し、凝縮水タンク７０３と改質部３００が水ポンプ７０４を介して接続している。
【００４２】
燃料電池１００の直流回路はインバータ部８０１を通じて負荷８０２に接続する。インバータ部８０１には昇圧型ＤＣ／ＤＣコンバ−タとＤＣ／ＡＣインバ−タが設けられ、５０Ｖの燃料電池の直流出力を２００Ｖの交流に変換し、系統連系で商用電源８０３と接続している。ＤＣ経路に充放電制御部８０４が設けられ、蓄電池２００の充電を制御する。充放電制御部８０４には電圧計８０５が設けられ、過充電状態を検知している。
【００４３】
蓄電池２００の水素ガス室２０７と燃料電池１００の水素流路１０５を連接する水素配管にはバルブＢ０６と水素タンク２１５が設けられ、蓄電池２００の酸素ガス室２０６と燃料電池１００の空気流路１０６を連接する酸素配管にはバルブＢ０７と酸素タンク２１６が設けられている。凝縮水タンク７０３と電槽２０１はポンプ７０５を有する水補充管で接続されている。
【００４４】
９０１は燃料電池と熱交換器９０２の間に形成された1次冷却水循環経路で、1次冷却水循環ポンプ９０３を備えている。1次冷却水循環経路９０１と2次冷却水循環経路９０４は熱交換器９０２で熱を授受する。2次冷却水循環経路９０４では熱交換器９０２と貯湯槽９０５の間で熱媒体を2次冷却水循環ポンプ９０６で循環させる。貯湯槽９０５の湯は風呂や暖房などの給湯負荷９０７に利用される。
【００４５】
つぎに、本実施の形態における燃料電池システムの起動動作と発電運転中の動作を説明する。バルブＢ０１とＢ０２を開として天然ガスは燃料パイプ３０４より燃焼器３０３に供給される。燃焼器３０３には同時に送風機３０８により燃焼用空気が供給され点火電極により着火する。これと前後して変成部４００とCO浄化部５００の予熱ヒータ４０２、５０３により変成触媒４０１とCO浄化触媒５０２を所定の温度に加熱する。また、バルブＢ10を開として窒素ボンベ３１０より窒素を改質部３００に供給する。水素生成プロセス全体が１００℃以上の温度になった時、凝縮水タンク７０３から気化器３０１に水を供給する。さらにバルブＢ１０を閉、バルブＢ０２を開として燃料パイプ３０４から天然ガスを改質触媒３０２に供給する。天然ガスと水は改質反応によって水素リッチガスに転換される。この水素リッチガスには副反応によるＣＯが10％が含まれており、そのまま燃料電池１００に供給すると水素電極１０２の触媒が被毒され発電能力が低下する。そのため、変成部４００の変成反応によりＣOを１%以下に低減し、さらに変成部４００の下流に接続されたＣＯ浄化部５００でＣＯ浄化反応を行う。
【００４６】
完全に触媒温度が安定するまでは、改質水素のＣＯ濃度が高いので、改質水素を燃料電池１００に供給しない。バルブＢ０4を開として改質水素はバイパス５０５から燃焼器３０３に入って燃焼し、改質触媒３０２の吸熱反応を支援する。改質触媒３０２が７００℃、変成触媒４０１が３５０℃、CO浄化触媒５０２が１５０℃の定常温度で安定すると、H275％・CO220％・CO10ppmの組成の改質水素になる。この段階になるまでに燃料電池１００を貯湯槽９０５の熱の循環により７０℃に予熱しておく。バイパス５０５のバルブＢ０4は閉じられ、燃料ガス管５０４のバルブＢ０5を開く。燃料ガスとしての改質水素が燃料電池１００の水素流路１０５を流れる。この時、送風機６０１により外気は全熱交換器６００を通って燃料電池１００の空気流路１０６に供給される。燃料電池１００内では、水素電極１０２に供給された水素と空気電極１０３に供給された空気中の酸素とが反応して発電を行う。
【００４７】
1ｋＷ発電出力の実験機では起動開始から発電状態までの時間は３０分を要した。この間はテレビやエアコンのような負荷８０２の要求発電量に対応できないため外部電力８０３を使用しなければならない。むろん独立電源では起動のための電力が得られないので蓄電池２００が必須となる。
【００４８】
燃料電池１００内部の燃料ガスは水素流路１０５で水素を消費しつつ流れている。水素流路１０５の末端で水素をすべて発電のため消費すると、水素電極１０２の下流部の水素分圧が低くなり発電効率は低くなる。このため燃料電池１００での水素利用率は80％程度とする。残りの２０％の水素を含む排燃料ガスが燃料電池１００から排出され凝縮器７０１で脱水した後に燃焼器３０３に供給される。改質部３００はこれ以降この排燃料ガスの燃焼熱で加熱される。したがって、バルブＢ０2を閉として燃焼器３０３への天然ガス供給は停止する。
【００４９】
燃料電池１００に供給する空気も同じ理由で空気利用率６０％とする。燃料電池１００から排出される排空気は発電反応による水蒸気と残存酸素を含む。この排空気が全熱交換器６００を通過する間に、送風機６０１から送られる新鮮空気に湿度と熱を与える。さらに、全熱交換器６００をでた排空気は凝縮器７０２でさらに脱水した後に装置外に排出される。排燃料ガスと排空気から分離された水は凝縮タンク７０３に集められ改質反応に再使用される。
【００５０】
燃料電池１００内で発電効率は４０％であり、残りは熱となる。燃料電池１００は１次冷却水循環ポンプ９０３の運転によって１次冷却水循環経路９０１、熱交換器９０２、２次冷却水循環経路９０４を通じて貯湯タンク９０５の温水を加熱する。この温水は給湯や暖房等に利用する。
【００５１】
このような状態で、電力負荷が急増した場合、水素生成量の急増操作を行うと、改質触媒３０２等の水素生成用触媒の温度が変動しＣＯが増加する。このため、水素生成量はゆっくりと増加させる必要がある。したがって、その間は発電量が不足する。また、電力負荷が急減した場合は、燃料パイプ３０４から供給する天然ガス量を減少させる。しかし、燃料電池１００に燃料ガスが滞留しているので発電はすぐにとまらない。不可避的な過剰電力が発生する。また燃料電池１００は定格最大出力の３０％以下まで出力を低下させると発電効率が低下する性質をもつ。したがって負荷が３０％以下となった場合は、過剰電力を発生させるか、燃料電池１００を停止するか、運転を継続するかどちらかを選択する。過剰電力を発生させて運転する場合には、過剰電力を蓄電池２００に充電して蓄える。この時、蓄電池２００の充電が終了した後も、引き続き電力を印加する操作により過充電反応を行う。バルブＢ０６とＢ０７を開として蓄電池２００で発生する水素と酸素を水素タンク２１５と酸素タンク２１６に貯蔵する。すなわち、過剰電力を蓄電池２００内の水の電気分解に用いて電力を水素エネルギーに変換して貯蔵する。このような水素貯蔵は、次のような方法でも経済的に行える。
【００５２】
過充電反応は燃料電池１００を停止する時にも実行できる。燃料電池１００を停止するときは、燃料電池システムの全経路の水素を窒素ボンベ３１０の窒素で置換することが安全上好ましい。したがって、天然ガスの供給を停止すると同時にバルブＢ10を開として所定時間、内部の水素を窒素でパージする。燃料電池１００内部の水素濃度と発電電力量は徐々に低下し、最後には０になる。この電力は電圧が不安定で使用し難いため従来は無駄にしていたが、本発明では蓄電池２００に充電して蓄える、さらには過充電反応により水素として蓄えることができる。このような水素パージは燃料電池システムの経路内で可燃性の水素と酸素が混合することを防止する目的で行う。したがって、パージ用のガスに改質部３００で発生する水蒸気や燃焼器の排気等の酸素を含まないガスを用いてよい。
【００５３】
また、次の手段でも経済的に蓄電および過充電反応を行うことができる。価格の安い深夜電力を用いて蓄電池２００の充電や過充電を行い蓄電池２００と水素タンク２１５にエネルギーを蓄える。この水素を用いて昼間の電力の一時的不足を補えば燃料電池システムは更に経済的に運転可能となる。
【００５４】
このようにして貯蔵した水素または酸素を、燃料電池１００の起動直後や負荷が急増した場合の電力不足時に利用する。水素生成プロセスに天然ガスと水の供給量を急激に増加させて、発電量を急増させようとしても、水素生成触媒群の温度バランスがとれなくなりＣＯ増加を生じるためである。改質水素の温度条件が整い発電が増加するまでは、蓄電池２００の放電と水素タンク２１５の貯蔵水素により負荷急増時の不足電力を補う。この場合には蓄電池２００に蓄えた電力をまず利用して燃料電池１００の発電能力不足を補う。そして、蓄電池２００の残容量が減少したときにバルブＢ０８を開として水素タンク２１５の水素を燃料ガスに追加して発電出力を増加させる。水素タンク２１５に貯蔵した水素は意図的に貯蔵した水素以外に不可避的に発生した水素も含まれるため、外部電力８０３を購入するより経済的である。また、水素貯蔵は蓄電池２００の容量を補うため蓄電池２００の放電深度を小さくして蓄電池２００の耐久性を改善する効果も得られる。
【００５５】
貯蔵した酸素を利用して出力増加の効果を得ることもできる。発電出力が不足した時に酸素タンク２１６に貯蔵される酸素を空気の変わりに、あるいは混合して供給すれば発電出力は増加できる。燃料電池１００の空気電極１０３の酸素分圧が高くなるためである。この方法を追加すればさらに大きな負荷ピークに対応して電力不足を補うことが可能となる。
【００５６】
蓄電池２００の水電解による純粋な水素と酸素を燃料ガス・酸化剤として燃料電池１００に供給した場合、電極触媒に吸着されその性能を低下させているＣＯや各種有機物が浄化される。水素電極１０２でのＣＯ2分圧が下がればＣＯや各種炭化水素の酸化が促進されるからである。また、空気電極１０３でも酸素濃度が上昇すれば付着している反応阻害物質は酸化されやすくなりクリーニングされる。そのため、改質した燃料ガスと空気を用いた発電の間に純粋の水素と酸素を用いた発電を行えば、電極は常に浄化され長期間にわたり発電出力の低下が防止できる。
【００５７】
蓄電池２００と水素タンク２１５、あるいは酸素タンク２１６の容量の選択は、使用者の消費電力の負荷変動パターンにより異なり、変動が大きいほど貯蔵する電力と水素量は大きくする必要がある。しかし、蓄電池２００の容量を主として増加させ、水素貯蔵の役割を従とすることが好ましい。蓄電池２００の電力充放電効率は９０％だが、水を水素に変換してエネルギーを貯蔵し燃料電池１００で再び電力へ変換する場合は３０〜４０％に効率が低下するためである。水素貯蔵は不可避的な発生水素の利用と蓄電池２００の放電深度の低下を防止するための補完的な蓄エネルギー手段として考えることが経済的である。
【００５８】
通常、蓄電池２００の充電とくに過充電での負極板２０４からの火災の危険がある水素発生が問題になる。このために、水素発生のない密閉式鉛蓄電池も利用されるが、液式に比較して高価であり、体積効率で劣り経済的でない。この点も本発明では常に水素を安全に処理できるため液式鉛蓄電池の採用が可能である。本発明では更に積極的に水素の発生を利用する。蓄電池２００の充電時に比重の大きい硫酸が電槽２０１の下部に溜まると、電解液２０２の濃度むらによる蓄電容量の低下と耐久劣化を生じる。しかし、本発明のごとく意図的に過充電反応を行うと、正極板２０３で酸素、負極板２０４で水素を多量に発生し、これにより硫酸電解液２０２に気泡が上昇しこれをかき混ぜるため、硫酸濃度差が少なくなる効果が得られる。この操作を定期的に実施すれば蓄電池２００の耐久性は改善され、従来のように短期間に蓄電容量が低下することが防止できる。
【００５９】
また、蓄電池２００の電解液２０２のレベル低下をレベル検知部２１４で検知して、燃料電池１００の発電時に生成する凝縮水を凝縮水タンク７０３から蓄電池２００にポンプ７０５で供給する。燃料電池１００の生成水は水素と酸素の反応によるもので純度が高いため、蓄電池２００の補充水としての性能を十分に満足する。このため液式鉛蓄電池の電解水補給のわずらわしさを回避できるとともに、電解液レベルが常に適正なために蓄電池の耐久性は著しく改善される。
【００６０】
（実施の形態２）
図４に第２の実施形態を示す。実施形態１では、酸素タンク２１６の出口が送風機６０１と燃料電池１００の間に接続され、酸素は燃料電池の空気流路１０６に供給されていたが、実施形態２では燃料ガス管５０４に接続して燃料流路１０５に酸素を供給する。
【００６１】
改質水素で発電する場合に、水素生成量を急増した時に生じるＣＯ増加の課題に対して、本発明を用いれば次のような対策が可能となる。蓄電池２００の充電時に正極板２０３から発生した酸素を燃料ガスに混合して燃料電池１００の水素電極１０２に供給する手段により、燃料電池１００のPt等の電極触媒がCOを吸着しても、酸素により酸化されて炭酸ガスとなって脱離し触媒被毒が防止できる。固体高分子型燃料電池ではRu触媒を用いて改質水素に空気を混入してCOの酸化を図った例はあるが、この場合は空気中の窒素がアンモニアの生成などの２次的な課題を生じていた。本発明は純粋の酸素を用いてCOを除去するため発電効率の低下を防ぐことがより容易となる。この場合、蓄電池２００から発生した水素も燃料ガスに混合して利用すればさらに無駄にならない。また、改質水素に純粋の水素を混合することにより炭酸ガス濃度は低下する。したがって、下式に示す変成反応
【００６２】
【化７】
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【００６３】
の反応平衡での逆反応が抑制されＣＯ濃度はさらに低下できる。
【００６４】
このような用途に用いる蓄電池２００は、液式の鉛蓄電池が以上の効果を全て得られるので実施例として用いたが、密閉式鉛蓄電池、ＮｉＣｄ電池、ＮｉＨ電池も充電時に水素を発生するので本発明と同様の効果は得られる。また、燃料電池として固体高分子型燃料電池を実施例としたが、水素を燃料ガスとする燐酸型燃料電池、固体型燃料電池でもピーク負荷に対応するという点で同じ効果は得られる。
【００６５】
【発明の効果】
本発明は、燃料電池と蓄電池を有する自家発電用のシステムにおいて、蓄電池と燃料電池の耐久性を改善する。かつ蓄電池の過充電反応で発生する水素を安全に処理し、最も価値の高いピーク電力への対応にこれを利用した。また、蓄電池の放電量を貯蔵水素の発電で補うため蓄電池の充放電深度が浅くなり、これにより蓄電池の長期耐久性が改善される。さらに蓄電池の水が自動的に最適に補充され、手間がかからないとともに、耐久性も改善される。
【００６６】
また、システムの経済性も改善される。すなわち、電力負荷が急増しても、蓄電池＋水素発電でピーク対応ができるため過剰な設備を持たなくて良く経済的である。電力負荷が急減しても余った電力で水素を貯蔵できるため発電を直ぐに停止する必要はない。このため電力過不足を補う蓄電池が小型化でき経済的なシステムとなる。
【００６７】
さらに、純粋の酸素および水素を用いて燃料電池の負極のＣＯ被毒が防止できるため、燃料電池自体の耐久性も改善できる。
【００６８】
このような効果は安価で蓄電容量の大きな液式の蓄電池とＣＯで劣化しやすい高分子型燃料電池の組み合わせで特に効果は著しい。
【００６９】
結果的に、ピーク出力への対応力の強化により商用電力から過大の補充電力を受けないことが可能となり、契約電力量を低く設定して基本料金を安く出来るメリットが得られる。また、発電が過剰な場合も電力会社へ逆潮流で安値で売電せず、蓄電して自家利用するため経済的である。別荘地のような独立電源では、ピーク対応力の増加により得られる利便性はさらに大きくなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態における燃料電の断面図
【図２】本発明の実施の形態における鉛蓄電池の断面図
【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ブロック図
【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ブロック図
【符号の説明】
１００  燃料電池
１０１  電解質膜
１０２  水素電極（負極）
１０３  空気電極（正極）
１０４  セパレータ
１０５  水素流路
１０６  空気流路
１０７  冷却水流路
１０８  正極集電板
１０９  負極集電板
１１０  絶縁板
１１１  端板
１１２  外部負荷
２０１  電槽
２０２  電解液
２０３  正極板
２０４  負極板
２０５  セパレータ
２０６  酸素ガス室
２０７  水素ガス室
２０８  水素排気栓
２０９  酸素排気栓
２１０  蓋
２１１  正極端子
２１２  負極端子
２１３  水補充栓
２１４  電解液レベル検知部
２１５  水素タンク
２１６  酸素タンク
３００  改質部
３０１  気化器
３０２  改質触媒
３０３  燃焼器
３０４  燃料パイプ
３０５  水パイプ
３０６  排燃料ガス管
３０７  排気部
３０８  送風機
３０９  ガス流量制御部
３１０  窒素ボンベ
４００  変成部
４０１  変成触媒
４０２  予熱ヒータ
５００  ＣＯ浄化部
５０１  空気ポンプ
５０２  ＣＯ浄化触媒
５０３  予熱ヒータ
５０４  燃料ガス管
５０５  バイパス
６００  全熱交換器
６０１  送風機
７０１  凝縮器
７０２  凝縮器
７０３  凝縮水タンク
７０４  水ポンプ
７０５  ポンプ
８０１  インバータ部
８０２  負荷
８０３  外部電力
８０４  充放電制御部
８０５  電圧計
９０１  1次冷却水循環経路
９０２  熱交換器
９０３  1次冷却水循環ポンプ
９０４  2次冷却水循環経路
９０５  貯湯槽
９０６  2次冷却水循環ポンプ
９０７  給湯負荷
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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